Více než 30 let se Fraunhoferův institut pro laserovou techniku ILT podílí na metalurgické aditivní výrobě s průlomovými systémovými a procesními inovacemi. Na Formnextu od 18. do 1. ledna 2000 představí Laserový institut v hale 11, stánek D31, svůj komplexní, na klíčové překážky v odvětví zaměřený portfoli, které snižuje náklady, šetří dodatečné práce a zpevňuje součásti: od vysoce pevných wolframových součástí a multi-materiálových přístupů pro extrémně zatížené komponenty v fúzních aplikacích, přes vysoce produktivní simultánní povrchové a dokončovací procesy, které šetří čas a energii, až po chytré struktury, jako jsou tištěné senzory, které činí kovové součásti inteligentními.
„Ať už se jedná o demonstrátor nebo sérii, cílem vývoje na Fraunhofer ILT je obvykle navrhnout procesy rychleji a robustněji a zajistit kvalitu dílů,“ vysvětluje Dr. Tim Lantzsch, vedoucí oddělení Laser Powder Bed Fusion (LPBF) na Fraunhofer ILT.
Exponáty na Formnext 2025 ilustrují přístup podél celé procesní řetězce: hliníkový skleněný rozvodný kryt pro palivové články, optický nosič vyrobený metodou LPBF pro satelity, experimentální zařízení LCoS o výkonu 2 kW pro volně tvarovatelné paprskové profily a LPBF struktury s nastavitelnou porézností.
Při selektivním laserovém sintrování (SLS) je důraz kladen na vývoj procesů pro nové materiály. Flexibilní laboratorní zařízení na Fraunhofer ILT již dokážou zpracovávat i nejmenší množství prášku, například velmi měkké, termoplastické polyurethany (TPU) a polymery s pamětí tvaru. Cílem je cíleně řídit vlastnosti a stanovit robustní parametry pro nové aplikace a sériovou výrobu.
„Přistupujeme k aditivní výrobě z pohledu funkce dílu, spojujeme materiál, proces a data, snižujeme náklady na díl a zvyšujeme kvalitu a dostupnost. Chápeme se jako řešitelé problémů a vývojáři procesů od nápadu až po stabilní výrobu u průmyslového partnera,“ dodal Lantzsch.
Wolframové součásti pro fúzní energii
Plazmou vystavené součásti ve fúzních reaktorech, jako je armování reaktorové stěny, musí odolávat cyklickým tepelným zátěžím až kolem 20 MW/m² a silnému záření. Pro tyto extrémní okrajové podmínky je prakticky vhodný pouze čistý wolfram. Dosud však materiál vyžaduje jednoduché geometrie a složité spoje. Různé tepelné roztažnosti způsobují selhání pájených spojů pod termocyklami, což negativně ovlivňuje životnost a dostupnost zařízení.
Projekt DURABLE se zaměřuje přesně zde: Aditivní procesy umožňují monolitní nebo vícestupňové komponenty z wolframu a měděné slitiny s kontinuální tepelnou cestou místo kritické spojovací zóny. Klíčové je řízení procesu: nová systémová technologie a parametrová okna vedou v PBF-LB/M k téměř beztrhlinovým, vysoce hustým wolframovým strukturám. Tím se stává možná komplexní geometrie s konformním chlazením.
„Výhoda spočívá v delší životnosti součástí, menším množství dodatečné práce a nižším riziku na spojovacích bodech, což je předpoklad pro prodloužení intervalů údržby a snížení nákladů na provozní hodinu,“ říká Niklas Prätzsch, vedoucí skupiny LPBF procesní a systémové techniky na Fraunhoferově institutu pro laserovou techniku ILT.
Optimalizace povrchů v jednom kroku
Nový revoluční přístup sleduje Viktor Glushych, vedoucí skupiny pro povrchové úpravy LMD a tepelné zpracování na Fraunhofer ILT pro extrémní vysokorychlostní laserové nánosové svařování (EHLA). Tento proces povrchově upravuje rychle a šetrně k zdrojům, avšak ve většině případů je nutná následná obráběcí úprava. „Současné povrchové úpravy a válcování“ (SCaRB) spojuje EHLA s válcováním v jednom procesním kroku. Zatímco nanesená vrstva je ještě teplá, válec nástroje projíždí vzniklým povrchem, plasticky ho zhutňuje a vyhlazuje vrcholy drsnosti.
Tak vzniká hustá, tlakem odolná okrajová vrstva s vysokou kvalitou povrchu bez úbytku materiálu a bez dodatečného opracování.
„To šetří čas, nástroje a materiál,“ vysvětluje Glushych výhody. „Zároveň může SCaRB cíleně ovlivňovat strukturu a vlastní napětí. To zlepšuje odolnost proti opotřebení a korozi a zvyšuje únavovou pevnost potažených komponentů.“ Na Formnext představuje Fraunhofer ILT demonstrátor EHLA-Rollieren, který umožňuje živě sledovat kombinované řízení procesu.
PFAS-free multi-material coatings
Kromě čistých kovových vrstev lze také nanášet vícivrstvé vrstvy z různých materiálů. Zde je proces EHLA pro kovové vrstvy kombinován s aplikací PEEK vrstvy pro výrobu funkčních kompozitních vrstev. PEEK je fluoridům zbavený vysoce výkonný polymer a atraktivní alternativa k PFAS povlakům.
»Novinkou je využití zbytkového tepla z procesu EHLA k roztavení deponované vrstvy PEEK v bezprostředně následujícím kroku. K tomu se používá technologie trysek vyvinutá na Fraunhofer ILT, která umožňuje homogenní aplikaci. Tento hybridní vrstvený systém spojuje vlastnosti dvou individuálně nastavitelné funkční vrstvy,« vysvětluje Rebar Hama-Saleh Abdullah, vědecký pracovník na Fraunhofer ILT.
Metalická EHLA vrstva může být použita jako ochranná vrstva proti korozi (např. v pístech), jako nouzová vrstva (např. v větrných turbínách) nebo jako teplovodivá mezivrstva. Na ni aplikovaná PEEK vrstva slouží v závislosti na přidání aditiv jako protiskluzová vrstva, kluzná vrstva nebo jako dodatečná ochrana proti korozi. "Adhezní pevnost mezi kovem a polymerem je dosažena zaklíněním plastu s cíleně zavedeným, drsným povrchem v procesu EHLA," říká Dr. Christian Vedder, vedoucí oddělení povrchových technologií a tvarového odstraňování na Fraunhofer ILT.
Tiskové senzory, inteligentní součásti
Při aditivní výrobě vznikají součásti vrstvu po vrstvě. Tak se zpřístupňují oblasti, které nejsou zvenčí přístupné. Na tom je založen přístup, kdy se senzory přímo integrují do kovových dílů, například tištěné tenzometry v LPBF součástech. Senzorové vrstvy vznikají pomocí inkjetu, aerosolového jetu nebo tampónového tisku; lze je aplikovat během nebo po výrobě a přesně umístit. Takto vyrobené chytré součásti poskytují například data v reálném čase o zatížení, deformaci nebo počínající tvorbě trhlin.
„Tyto senzory se nacházejí přesně tam, kde jsou data nejvíce užitečná, i v oblastech, které by byly s konvenční výrobou nedostupné,“ shrnuje to Dr. Samuel Moritz Fink, vedoucí skupiny tenkovrstvých procesů na Fraunhofer ILT. „To umožňuje monitorování stavu během používání, prediktivní údržbu a větší provozní bezpečnost. Současně se snižuje složitost systému, protože mohou být vyloučeny samostatné konstrukce, kabely nebo externí měřicí stanice. Cílové obory zahrnují letectví a kosmonautiku, energetiku až po strojírenství.“
Řešitelé problémů a vývojáři procesů
Hlavní výzvy pro společnosti v oblasti kovového AM spočívají v vysokých nákladech na kus, složitém vývoji aplikací a kvalifikaci či certifikaci procesů pro sériovou výrobu. Právě zde se zaměřuje portfolio Fraunhofer ILT. Identifikuje úzká místa, vyvíjí stabilní procesy a rychle zavádí aplikace do výroby od prvního funkčního vzoru až po robustní výrobu u zákazníka.
»Nové materiály jsou klíčem k tomu, aby se zvláštní výhody SLS, tedy maximální svoboda designu a svoboda od podpůrných struktur, staly využitelnými ve stále více odvětvích. S našimi modifikovanými stroji můžeme tyto materiály efektivně kvalifikovat a tím překonat problém slepice a vejce v průmyslových zařízeních,« vysvětluje Vera Rothmund z týmu vývoje aplikací na Fraunhofer ILT.
»Na Fraunhofer ILT se považujeme za partnera průmyslu: vyvíjíme na míru šité procesy a technologie, abychom společně se společnostmi vyřešili hlavní výzvy v oblasti kovového 3D tisku – od produktivity přes zajištění kvality až po ekonomickou efektivitu,« říká Dr. Thomas Schopphoven, vedoucí oddělení laserového přidávacího svařování na Fraunhofer ILT.
Fraunhofer ILT na Formnext 2025 na společném stánku Fraunhofer D31 v hale 11.
Kontakt:
