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).
Weitere Schwerpunkte unserer Forschungsaktivitäten waren:
Auswirkungen der Wärmebehandlung auf die Mikrostruktur, die mechanischen Eigenschaften und das Verschleißverhalten von PBF-LB/M-gefertigten Bauteilen
Verwendung einer zweiten Phase zur Verbesserung der Festigkeit sowohl von nicht wärmebehandelbaren als auch von wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen. Dies wurde in der Regel durch die Zugabe von TiB2-Partikeln erreicht, die während des PBF-LB/M-Prozesses als Kornfeiner wirken.
Nanostrukturierte, hochfeste PBF-LB/M-Legierungen auf Aluminiumbasis aus amorphen Vorpulvern.
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Katharina Gabrysiak, Anne V. Boehm, Tobias Gustmann, Christoph Leyens, Uta Kühn, Elevated-temperature strength and wear behavior of Al80Mn11Ce9 processed by laser powder bed fusion, Journal of Materials Research and Technology 37 | 2025 | 2327-2337. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.06.148
Konrad Kosiba, Tobias Gustmann, Jong Tae Kim, Jinwoo Seok, Juree Jung, Lukas Beyer, Sergio Scudino, Lars Giebeler, Junhee Han, Julia K. Hufenbach, Experimental cooling rates during high-power laser powder bed fusion at varying processing conditions, Journal of Alloys and Compounds 967967| 2023 | 171773. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.171773
Ulrike Gebhardt, Tobias Gustmann, Lars Giebeler, Franz Hirsch, Julia K. Hufenbach, Markus Kästner, Additively manufactured AlSi10Mg lattices – Potential and limits of modelling as-designed structures, Materials & Design 220 | 2022 | 110796. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110796
Katharina Gabrysiak, Tobias Gustmann, Jens Freudenberger, Kai Neufeld, Lars Giebeler, Christoph Leyens, Uta Kühn, Development and characterization of a metastable Al-Mn-Ce alloy produced by laser powder bed fusion, Additive Manufacturing Letters 1 | 2021 | 100017. https://doi.org/10.1016/j.addlet.2021.100017
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Konda G. Prashanth, B. Debalina, Z. Wang, P.F. Gostin, Annett Gebert, M. Calin, Uta Kühn, M. Kamaraj, Sergio Scudino, Jürgen Eckert, Tribological and corrosion properties of Al-12Si produced by selective laser melting, Journal of Materials Research 29 | 2014 | 2044-2054. https://doi.org/10.1557/jmr.2014.133
