Aluminiumlegierungen sind als Leichtbauwerkstoffe, insbesondere im Mobilitätssektor, unverzichtbar geworden. In Verbindung mit dem Einsatz additiver Fertigungsverfahren lassen sich topologieoptimierte, extrem leichte Komponenten realisieren und gleichzeitig effizient herstellen. 

Unsere Forschungsaktivitäten im Bereich der Aluminiumlegierungen umfassen nicht nur die Verarbeitung kommerziell verfügbarer Systeme mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (PBF-LB/M), wie z. B. AlSi12, AlSi10Mg und EN AW-2024, sondern auch die Entwicklung neuer Aluminiumlegierungen für die additive Fertigung.

Insbesondere hochfeste Aluminiumlegierungen wie EN AW-2024 oder EN AW-7075 neigen zu Heißrissen, was die Verarbeitung mittels PBF‑LB/M erschwert. Dies fördert die Entwicklung neuer Werkstoffe wie Al-Mn-Ce- oder Al-Mg-Zr-basierter Systeme, die die gewünschten mechanischen Eigenschaften mit verbesserter Prozessierung vereinen.

Ein Ansatz besteht in der Entwicklung neuartiger, hochfester Al-Mn-Ce-Legierungen für die pulverbettbasierte additive Fertigung. Ausgangspunkt für die Forschungsarbeiten ist eine Al₉₂Mn₆Ce₂-Legierung, die eine metastabile, hochfeste Al₂₀Mn₂Ce-Phase in Kombination mit einer duktilen Al-Matrix (Abbildung 1) aufweist. Dies führt zu einem vielversprechenden Verhalten unter Druckbeanspruchung und einer hohen Verschleißfestigkeit. Darüber hinaus konnten in weiterführenden Arbeiten Al-Mn-Ce-Zr-Legierungen mit einer erhöhten Duktilität unter Zugbeanspruchung sowie einer verbesserten Verarbeitbarkeit mittels PBF-LB/M entwickelt werden. 

Wir danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Förderung dieses Projekts (Projektnummer: 437911652).

Des Weiteren werden seltenerdfreie Al-Mg-Zr-basierte Legierungen zur Herstellung widerstandsfähiger und schadenstoleranter Strukturen mittels PBF-LB/M entwickelt. Das Legierungsdesign wird durch neue datenbasierte und experimentelle Methoden unterstützt, um die Materialentwicklung zu beschleunigen. Begleitet wird dies durch skalenübergreifende Charakterisierungen, um den Einfluss des Gefüges auf die mechanischen Eigenschaften zu analysieren. Das so entwickelte Al-Mg-Zr-Si-Legierungssystem kann u.a. genutzt werden, um resiliente Strukturen, wie künstlich entworfene mechanische Metamaterialien, herzustellen (siehe Abbildung 2).

Diese Arbeit wird unterstützt von der DFG im Rahmen des Graduiertenkollegs GRK 2868 D³ „Data-Driven Design of Resilient Metamaterials“ (Projektnummer: 493401063). 
 

Veröffentlichungen:

K.G. Prashanth, S. Scudino, H.J. Klauss, K.B. Surreddi, L. Löber, Z. Wang, A.K. Chaubey, U. Kühn, J. Eckert, Microstructure and mechanical properties of AlSi12 produced by selective laser melting: Effect of heat treatment, Materials Science and Engineering: A, 590 (2014) 153-160 

S. Pauly, P. Wang, U. Kühn, K. Kosiba, Experimental determination of cooling rates in selectively laser-melted eutectic Al-33Cu, Additive manufacturing, 22 (2018) 753-757

K. Gabrysiak, T. Gustmann, J. Freudenberger, K. Neufeld, L. Giebeler, C. Leyens, U. Kühn, Development and characterization of a metastable Al-Mn-Ce alloy produced by laser powder bed fusion, Additive Manufacturing Letters, 1 (2021) 100017.

U. Gebhardt, T. Gustmann, L. Giebeler, F. Hirsch, J. K. Hufenbach, M. Kästner, Additively manufactured AlSi10Mg lattices – Potential and limits of modelling as-designed structures, Materials & Design, 220 (2022) 110796

K. Kosiba, T. Gustmann, J. T. Kim, J. Seok, J. Jung, L. Beyer, S. Scudino, L. Giebeler, J. Han, J. K. Hufenbach, Experimental cooling rates during high-power laser powder bed fusion at varying processing conditions, Journal of Alloys and Compounds, 967 (2023) 171773