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Wenn ein Hersteller ein bestimmtes Bauteil abkündigt, kann das dazu führen, dass eine ansonsten vollständig funktionsfähige Maschine nicht mehr weiterbetrieben werden kann. Technisch liegt das Problem also nicht in der Gesamtanlage, sondern in der fehlenden Verfügbarkeit eines einzelnen mechanischen Elements. Die Folge ist häufig, dass Maschinen stillgelegt oder vorzeitig ersetzt werden. Aus ökologischer Sicht ist das problematisch, weil damit erneut erhebliche Material- und Energieaufwände für Herstellung, Transport und Inbetriebnahme eines neuen Systems verbunden sind – obwohl die vorhandene Maschine mit einem geeigneten Ersatzteil oft noch über Jahre nutzbar wäre.

Mit metallischem 3D-Druck, insbesondere im PBF-LB-Prozess (dem in der Industrie weit verbreiteten Laser-Powder-Bed-Fusion-Verfahren/Laserstrahlschmelzen), lassen sich nicht mehr verfügbare Bauteile digital rekonstruieren und bedarfsgerecht neu herstellen. Das ist besonders dann relevant, wenn klassische Fertigungsverfahren an wirtschaftliche oder logistische Grenzen stoßen, etwa bei kleinen Stückzahlen oder fehlenden Werkzeugen. Ein zusätzlicher Vorteil liegt darin, dass wir nicht nur bestehende Geometrien nachbilden, sondern die geometrischen Freiheitsgrade der additiven Fertigung auch konstruktiv nutzen können, zum Beispiel durch funktionsintegrierte Strukturen wie zusätzliche Kühlkanäle. So kann ein Ersatzteil nicht nur reproduziert, sondern im Idealfall auch funktional weiterentwickelt werden.

Die eigentliche Herausforderung besteht darin, additive Fertigung nicht auf die reine Geometrienachbildung zu reduzieren. Im PBF-LB-Prozess geht es nicht nur darum, ein Bauteil formgleich herzustellen, sondern die Prozess- und Werkstoffseite so zu beherrschen, dass am Ende auch die geforderten Eigenschaften erreicht werden. Das betrifft zum einen das Reverse Engineering bestehender Bauteile, zum anderen aber auch die gezielte Nutzung der additiven Konstruktionsfreiheit, etwa für effizientere Designs oder funktionsintegrierte Strukturen. Parallel dazu spielt die Werkstoffentwicklung eine zentrale Rolle – in unserem Fall insbesondere die Entwicklung warmfester Aluminiumlegierungen für den PBF-LB-Prozess. Erst im Zusammenspiel von Design, Werkstoff und Prozessführung entsteht ein Bauteil, das nicht nur herstellbar, sondern auch im realen Einsatz belastbar ist.

In unserem Projekt entwickeln wir warmfeste Aluminiumlegierungspulver sowie Mischsysteme aus Reinstoff- und Legierungspulvern, um die Warmfestigkeit und Wasserstoffbeständigkeit additiv gefertigter Bauteile zu verbessern. Auf dieser Grundlage untersuchen wir nach entsprechenden Parameterstudien die Herstellung wasserstoffführender Komponenten, beispielsweise von Zylinderköpfen für Wasserstoffverbrennungsmotoren. Der Bezug zur Kreislaufwirtschaft liegt darin, dass additive Fertigung hier nicht nur für die Neuteilentwicklung interessant ist, sondern auch für ein gezieltes Obsoleszenzmanagement. Wenn bestehende Motorkonzepte – etwa durch die Umrüstung von Dieselmotoren auf Wasserstoffverbrennung – weitergenutzt werden können, statt komplette Systeme zu ersetzen, ist das auch aus Ressourcensicht relevant. Additive Fertigung kann dabei helfen, die dafür benötigten Komponenten anwendungsnah und flexibel bereitzustellen.

Ein zentraler Punkt ist nach wie vor die Wirtschaftlichkeit. Der PBF-LB-Prozess bietet zwar Vorteile, etwa eine hohe Materialausnutzung und große konstruktive Flexibilität, ist in der industriellen Umsetzung aber weiterhin mit Aufwand verbunden. Das betrifft insbesondere die Pulverhandhabung unter sicherheitstechnischen Anforderungen sowie die häufig anspruchsvollen Post-Processing-Schritte. Genau dort entscheiden sich aber oft Bauteilqualität und Kosten. Damit sich solche Verfahren breiter durchsetzen, müssen also nicht nur Werkstoffe und Prozessparameter weiterentwickelt werden, sondern auch die nachgelagerten Prozessketten robuster, effizienter und wirtschaftlicher werden. Technologische Fortschritte zeigen bereits, dass sich diese Hürden zunehmend verringern, aber sie sind aktuell noch ein wesentlicher, begrenzender Faktor.

Sebastian Gersch forscht am Promotionszentrum Ingenieurwissenschaften und Informationstechnologien an der Hochschule Anhalt. Der konkrete Titel seiner Promotionsarbeit: „Untersuchung des realen Potenzials von Überlagerungseffekten aus Druckeigenspannungen und resultierenden Zugspannungen zur Optimierung der Dauerfestigkeit von LPBF-gefertigten Einzelzahngeometrien“

Das Projekt hinter seiner Doktorarbeit: „3DAlu: Entwicklung von warmfesten Aluminiumlegierung für 3D-gedruckte Komponenten für Wasserstoffmotoren“. Damit verbunden ist eine Förderung durch Europäische Union und Land Sachsen-Anhalt im Rahmen des EFRE-Programms. 

Mehr dazu auf der Projektseite und unserer LinkedIn-Fokusseite Forschung.Transfer.Messen:

https://www.hs-anhalt.de/projekte/projekt/3dalu-entwicklung-von-warmfesten-aluminiumlegierung-fuer-3d-gedruckte-komponenten-fuer-wasserstoffmotoren-prof-dr-joerg-bagdahn.html

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