Herstellung von Metall-Metall-Durchdringungswerkstoffen mittels Formgebung im teilflüssigen Zustand

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Mathias Liewald; Professor Dr.-Ing. Frederik Zanger
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392513301

Durchdringungsverbundwerkstoffe zeichnen sich durch eine dreidimensional zusammenhängende, kontinuierliche Struktur aller Werkstoffkomponenten aus und können somit gänzlich andere Eigenschaftsprofile als z. B. faser- oder partikelverstärkte Verbundwerkstoffe aufweisen. Der Verbundwerkstoff entsteht dabei mittels der Durchdringung, also Infiltration, einer offenporigen Struktur (Preform) mit einem Matrixwerkstoff. Aufgrund der Defizite bestehender Fertigungsverfahren konnte das Potential solcher Durchdringungsverbundwerkstoffe jedoch bislang nicht vollständig ausgeschöpft werden. Diesbezüglich wurde im Rahmen der ersten Förderperiode des hier zur Fortsetzung beantragten Forschungsvorhabens eine Prozessroute zur Herstellung von fehlerfreien und funktionsfähigen Durchdringungsverbundwerkstoffen auf Basis der Formgebung im teilflüssigen Zustand entwickelt. Es handelte sich hierbei um Metall-Keramik-Durchdringungswerkstoffe (MKD), bestehend aus einer offenporigen Struktur aus Al2O3 und einer Matrixlegierung aus AlSi7Mg0,3. Neben der Prozessentwicklung bildeten dabei auch die numerische Modellierung des Infiltrationsprozesses sowie die Charakterisierung der mechanischen und strukturellen Eigenschaften der erzeugten, relativ einfachen MKD-Prüfkörper wesentliche Forschungsinhalte. Insgesamt wurden in der ersten Förderperiode vielversprechenden Ergebnisse im Hinblick auf die Herstellbarkeit von Durchdringungsverbundwerkstoffen erzielt, aber auch die Grenzen der mit der untersuchten Materialpaarung (Metall/Keramik) erzielbaren Eigenschaften aufgezeigt. In der nun beantragten zweiten Förderperiode sollen die erlangten Erkenntnisse daher einerseits auf Metall-Metall-Durchdringungsverbundwerkstoffe (MMD) und andererseits auf eine komplexere Bauteilgeometrie übertragen werden. Als Preform werden dabei Stahl-Gitterstrukturen mittels einer am Institut für Produktionstechnik (wbk, KIT) entwickelten neuen Verfahrensvariante des Additive Manufacturing erzeugt. Diesbezüglich wurde das wbk, KIT für die zweite Förderperiode als Projektpartner hinzugezogen. Als Matrixlegierung wird weiterhin die Aluminiumlegierung AlSi7Mg0,3 verwendet, sodass auf die bestehenden Ergebnisse aufgebaut werden kann. Die wissenschaftliche Aufgabenstellung des wbk besteht in der Ermittlung der benötigten Prozessstellgrößen zur Herstellung von Gitterstrukturen, die optimal auf die Infiltration mittels der Formgebung im teilflüssigen Zustand angepasst sind. Die wissenschaftliche Aufgabenstellung des IFU bildet die Übertragung der Erkenntnisse aus der ersten Förderperiode auf die Herstellung einer anwendungsorientierten Hebelgeometrie unter Berücksichtigung der Materialpaarung Aluminium-Stahl. Gemeinsam erfolgt schließlich die umfassende Analyse der erzielbaren Bauteileigenschaften.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen