3D-Druck mit dem Elektronenstrahl

Werkstoffwissenschaftlerin der FAU erhält mit 3 Millionen Euro dotierten ERC Advanced Grant

Es ist nicht nur eine außerordentliche Förderung, es ist eine Auszeichnung für den Wissenschaftsstandort Erlangen-Nürnberg: Prof. Dr. Carolin Körner, Inhaberin des Lehrstuhls für Werkstoffkunde und Technologie der Metalle an der FAU, erhält einen ERC Advanced Grant. Mit der EU-Förderung von 3 Millionen Euro soll in den kommenden fünf Jahren die Forschung zur Additiven Fertigung von Hochleistungsbauteilen mittels hochenergetischer Elektronenstrahlen vorangetrieben werden.

Die Additive Fertigung (AF), bekannter unter der Bezeichnung 3D-Druck, wird zunehmend zur Schlüsseltechnologie der Industrie. Angewandt wird das Verfahren bislang vor allem bei der Herstellung von Prototypen und Kleinserien. Üblicherweise kommt bei der AF ein computergesteuerter Laserstrahl zum Einsatz, der aus flüssigen Kunststoffen oder Metallpulvern Schicht für Schicht dreidimensionale Werkstücke aufbaut – zumeist durch Härtungs- oder Schmelzprozesse. „Das Laserverfahren ist für die meisten Anwendungen das Mittel der Wahl, hat jedoch ein paar entscheidende Nachteile“, sagt Carolin Körner. „Die Fertigungsqualität lässt sich während der Herstellung nur schwer kontrollieren und bestimmte Hochleistungslegierungen können überhaupt nicht verarbeitet werden.“

Elektronenstrahl für Superlegierungen

Seit 15 Jahren forscht Carolin Körner an einer alternativen Methode der Fertigung metallischer Hochleistungslegierungen: Statt Laserstrahlen verwendet sie hochenergetische Elektronenstrahlen, wie sie aus der Rasterelektronenmikroskopie bekannt sind. Werkstoffbasis ist ein Bett aus Metallpulver, das sich beispielsweise aus Nickelbasislegierungen oder Titanaluminiden zusammensetzt. Der wesentliche Vorteil gegenüber der Lasertechnologie ist, dass der Elektronenstrahl trägheitsfrei im Vakuum mit Geschwindigkeiten von bis zu 10000 Metern pro Sekunde bewegt und damit wesentlich flexibler als ein Laser gesteuert werden kann. So ist er Heizung, Werkzeug und Analysegerät in einem.

Damit erlaubt die elektronenstrahlbasierte AF ein voxel-basiertes Materialdesign – so wird in Anlehnung an die pixel-basierte Auflösung von 2D-Bildern die hochpräzise Einstellung lokaler Materialeigenschaften bezeichnet. Auf diese Weise wird es möglich, verschiedene Bereiche eines Bauteils mit unterschiedlichen Eigenschaften auszustatten. Körner: „Stellen Sie sich die Schaufel einer Gasturbine vor: Der Fuss muss eher duktil und rissbeständig sein, das Blatt dagegen extrem hart und temperaturresistent.“ Solche unterschiedlichen Materialeigenschaften können zum Beispiel durch gezieltes Verdampfen bestimmter Elemente der Legierung oder durch die kontrollierte Einstellung der Kristallstruktur erreicht werden.

Voraussetzung für das voxel-basierte Materialdesign ist die vollständige Kontrolle der lokalen thermischen Bedingungen. Hier spielt das Verfahren seinen wesentlichen Vorteil aus: die fertigungsbegleitende Analyse analog zu einem Rasterelektronenmikroskop, die jeden Prozessschritt genauestens überwacht. Dabei liefert die Elektronensonde nicht nur Informationen über den hochdynamischen Prozess und die Bauteilqualität, sondern auch über die lokale Materialzusammensetzung selbst in tieferliegenden Schichten.

Beitrag zur nachhaltigen Mobilität und Energieversorgung

Im Projekt „Voxel Based Material Design: Amalgamation of Additive Manufacturing and Scanning Electron Microscopy“, kurz: AMELI, sollen völlig neue Möglichkeiten für die Bauteilfertigung erschlossen werden. „Die bahnbrechende Kombination aus lokal einstellbaren Materialeigenschaften und Konstruktionsfreiheit verschiebt die Leistungsgrenzen von Bauteilen aus Hochleistungslegierungen“, sagt Carolin Körner. Damit wird die Additive Fertigung zunehmend für den Flugzeugbau interessant, zudem könnte sie dazu beitragen, den Wirkungsgrad landgestützter Gasturbinen zu steigern oder den Ausbau der Wasserstofferzeugung zu beschleunigen. „AMELI wird zu einer nachhaltigen Energieversorgung und Mobilität beitragen.“

Die ERC-Fördermitteln werden sowohl für Personal- als auch für Sachmittel zur Verfügung gestellt. In den kommenden fünf Jahren werden im Rahmen von AMELI vier Doktorandenstellen finanziert. Außerdem bekommt der Lehrstuhl ein neues Herzstück für die weitere Erforschung der elektronenstrahlbasierten AF: eine Anlage mit einer flexiblen Beschleunigungsspannung bis zu 150 Kilovolt und einer hochentwickelten Sensorik. „Mit der deutlich höheren Elektronenenergie und der verbesserten Sensorik können wir noch tiefer in das Material schauen“, erklärt Carolin Körner. „Damit erhalten wir wertvolle zusätzliche Informationen über die lokalen Materialeigenschaften der Bauteile und können unser Verfahren weiter optimieren.“

Zur Person

Prof. Dr. Carolin Körner leitet seit 2011 den Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Technologie der Metalle an der FAU. 2015 wurde sie zur wissenschaftlichen Leiterin der Gruppe „Additive Fertigung (Metalle)“ bei der NMF GmbH, einem Forschungsunternehmen des Freistaats Bayern, ernannt. Außerdem ist sie Mitglied der kollegialen Leitung am Zentralinstitut für Neue Materialien und Prozesstechnik (ZMP) in Fürth und leitet dort den Bereich „Elektronenstrahlbasierte Additive Fertigung“. Seit 2018 ist sie Co-Koordinatorin und Standortsprecherin des überregionalen Verbundforschungszentrums CRC-TR 103 „Vom Atom zur Turbinenschaufel – wissenschaftliche Grundlagen für eine neue Generation monokristalliner Superlegierungen“. Carolin Körner ist Mitglied des Beirats der Bundesanstalt für Materialforschung und Sprecherin des Expertengremiums „Additive Fertigung“ der bayerischen Landesregierung. Für besonderes Engagement in der universitären Lehre erhielt sie 2018 den Lehrpreis der Technischen Fakultät der FAU.

Weitere Informationen

Prof. Dr. Carolin Körner
Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Technologie der Metalle
carolin.koerner@fau.de