Unter den Begriffen additive, respektive generative Fertigungsverfahren, werden Technologien verstanden die Körper schichtweise aufbauen. Sie ermöglichen die Herstellung komplexer Geometrien aus Kunststoff und Metall ohne Form und Werkzeug, und machen somit eine konstruktionsorientierte Fertigung von individuellen Produkten möglich. Direkt aus CAD-Modellen können Bauteile z.B. mit pulverförmigem Ausgangsmaterial selektiv aufgeschmolzen und so Schicht für Schicht aufgebaut werden, weshalb sie sich hinlänglich für den Prototypenbau (Rapid Prototyping) etabliert haben. Aufgrund des durchgängig rechnergestützten Produktentstehungsprozesses und des Entfallens formabhängiger Produktionswerkzeuge erlaubt die additive Fertigung jedoch auch eine individuelle und stückzahlflexible Produktion. Wesentliche Vorteile sind die Aufhebung vieler konstruktiver Restriktionen (z.B. Realisierung von Hinterschnitten) und die flexible Fertigung von individuellen Bauteilen mit nahezu beliebig komplexen Geometrien in einem Bauprozess. Additive Verfahren ermöglichen daher bisher technisch nicht zugängliche Konstruktions- und Gestaltungsweisen, wie z.B. die Komprimierung von montierten Baugruppen auf ein einzelnes Bauteil. Da der Aufbau einer additiven Fertigungsmaschine, verglichen mit anderen Fertigungsmaschinen, einfach ist und die „Intelligenz“ des additiven Fertigungsprozesses vielfach durch Rechner- und Strahltechnologien dargestellt wird, kann erwartet werden, dass solche Maschinen bei wachsender Stückzahl mit einer hohen Kostenreduktion herstellbar sind.
Alle diese Aspekte lassen erwarten, dass sich die additive Fertigung zukünftig zu einer in der Industrie wesentlichen neuen Fertigungstechnologie heranbilden kann. Trotz des rasanten technologischen Fortschritts der letzten Jahre ist es bisher nicht gelungen, diese Verfahren zu serientauglichen Produktionstechnologien weiter zu entwickeln. Gründe hierfür sind vor allem eine bislang eingegrenzte Materialverfügbarkeit, die mangelnde Prozessstabilität und -simulation sowie das Fehlen von prozessspezifischen Konstruktionsweisen. Ein zusätzliches Defizit der additiven Verfahren besteht in der noch nicht ausreichenden Präzision bezüglich Geometrieabbildung und Detailtreue. Hieraus lassen sich die folgenden wissenschaftlich-technischen Herausforderungen für Bauteil und Prozess ableiten:
- Erzeugung prozessoptimierter Partikel und Schüttgüter.
- Erforschung von prozessrelevanten Materialeigenschaften.
- Untersuchung der Strahl-Pulver-Wechselwirkungen.
- Analyse und Simulation der Teilprozesse bei der Bauteilgenerierung.
- Erforschung und Berechnung von prozessbedingten Bauteileigenschaften.
Durch die grundlegende Erforschung dieser Zusammenhänge können Strategien zur
- Vermeidung von Bauteilfehlern,
- Reduktion der Oberflächenrauigkeit,
- Kontrolle von Eigenspannungen und Verzug,
- Erhöhung der Prozesssicherheit,
- Steigerung der Prozessgeschwindigkeit und
- Realisierung von Multi-Material-Bauteilen
abgeleitet werden. Neue Verfahrensansätze zielen auf die Herstellung gradierter und hybrider Komponenten ab. Die durchgängige Nutzung im Sinne des Computer Integrated Manufacturing (CIM) erfordert darüber hinaus die Erarbeitung werkstoff- und prozessspezifischer Simulations- und Konstruktionstools.
Der Erforschung dieser Herausforderungen will sich die Gruppe der Wissenschaftler dieses Sonderforschungsbereichs stellen. Fokussiert auf strahl- und pulverbasierte Technologien der Additiven Fertigung ist es Ziel der Initiative ein vertieftes Prozessverständnis zu erarbeiten und eine breitere Werkstoffpalette im Bereich der Kunststoffe und der Metalle mit optimierten Eigenschaften für Prozess und Anwendung nutzbar zu machen, um auf dieser Basis neue Multi-Materialbauteile (gradierte und hybride Körper) zu generieren. Es soll ermöglicht werden, multifunktionale Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde mit neuen werkstofflichen Eigenschaften und neuen konstruktiven Lösungen auf Basis reproduzierbarer, robuster, messbarer und in der Simulation abgebildeter Prozesse verarbeiten zu können.
Aus den speziellen Gegebenheiten bei der additiven Fertigung lassen sich zahlreiche übergreifende wissenschaftliche Fragestellungen ableiten, beispielsweise zur Herstellung und Funktionalisierung von Pulvern (Gasverdüsung von Polymerschmelzen, allgemeine Erhöhung der Schüttdichte), zum Schmelz- und Erstarrungsverhalten im Pulverbett (epitaktisches Anwachsen neuer Schichten, zeitabhängiges Kristallisationsverhalten von Polymeren), zum Fließen flacher Schmelzepools (Verspritzen von Schmelze bei Metallen, „Balling“, allgemein zu raue Oberfläche), zur Entstehung von Eigenspannungen und Verzug. Dabei erwarten wir gerade von der parallelen Betrachtung der beiden Werkstoffgruppen (Kunststoffe und Metalle) sowie der breiten Anwendung von Simulationsverfahren zahlreiche neue Einblicke.