Element 12

Ausgangssituation / Motivation

Hoch beanspruchte Bauteile - speziell im Space-Bereich - werden häufig über Zerspanungstechnologien mit hohem Zerspanungswerkzeugaufwand hergestellt. Es kann dabei das Zerspanungsvolumen teilweise bis zu 90% ausmachen, da sich formgebende Werkzeuge aufgrund der geringen Stückzahlen nicht rechnen.

Additive Fertigungsverfahren ermöglichen hierbei einen direkten Ansatz um ein Bauteil mit "Losgröße 1" kostengünstig herstellen zu können. Für Raumfahrt Anwendungen konzentrieren sich im Bereich der Leichtmetalle die Entwicklungen auf Aluminium und Titan Werkstoffe. Dabei bieten hier Magnesiumlegierungen und insbesondere auch Magnesium- Verbundwerkstoffe ein großes Potential zur Gewichtseinsparung aufgrund hoher spezifischer Eigenschaftskennwerte (Festigkeit/Steifigkeit). Diese werden in diesem Projekt adressiert.

Erst in den letzten Jahren haben Raumfahrtagenturen wie die NASA den Werkstoff Magnesium wiederentdeckt. Dies ist einerseits auf Verbesserungen im Korrosionsschutz (durch Beschichtungen) zurückzuführen, aber auch mehr und mehr durch die Notwendigkeit, weiteres Gewicht zu reduzieren.

Inhalte und Zielsetzungen

Das Projekt Element 12 (Magnesium ist das 12. Element im Periodensystem) beschäftigt sich mit der Entwicklung von neuen Magnesium- Legierungen und -Composites, die speziell für den Draht basierten Plasma-Lichtbogen Herstellprozess entwickelt werden.

Methodische Vorgehensweise

Dabei werden zunächst entsprechende Legierungen entwickelt, die sich durch Korrosionsbeständigkeit, Brandbeständigkeit sowie auch durch eine gute Schweißbarkeit auszeichnen und die vor allem auf die hohe Abkühlrate des Plasma-Lichtbogenprozesses beim Auftragen einzelner Lagen abgestimmt sind sowie sich die nachfolgende in-situ Wärmebehandlung beim Aufbringen der nachfolgenden Schichten zunutze macht.

Hierbei kann auf dem Know-How des LKR im Bereich der Legierungsentwicklung aufgebaut werden und zusätzlich kommen CALPHAD-Methoden zum Einsatz, die die Legierungsentwicklung unterstützen. Um diese Legierungen letztlich in 3D-Bauteile überzuführen, ist es erforderlich durch einen innovativen Ansatz zunächst Drähte aus den neuartigen Zusammensetzungen herzustellen. Dies erfolgt durch ein am LKR entwickeltes Draht-Direkt-Extrusionsverfahren.

Die hergestellten Drähte werden für die additive Herstellung von Test-Coupons bei RHP verwendet, die nachfolgend eingehend hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften und des Korrosionsverhaltens charakterisiert werden.

Parallel zu den Entwicklungen der Legierungen werden entsprechende Anwendungsfelder und Einsatzbereite für die Magnesium Legierungen im Space Bereich untersucht. Diese beinhalten eine Bewertung für den Einsatz in Launcher Systemen, Satellitenanwendungen sowie auch für wissenschaftliche Missionen. Speziell werden Anwendungsmöglichkeiten für Anwendungen im "NewSpace" untersucht. Für zwei ausgewählte Bereiche werden dann von RHP Funktionsmuster hergestellt und getestet.

Die Kombination aus Legierungsentwicklung, Drahtherstellung sowie die nachfolgende additive Herstellverfahren über einen Draht basierten Plasma Lichtbogen Prozess stellen eine Prozesskette dar, die bislang noch nicht untersucht wurde.

Der Großteil der Aktivitäten aus der Literatur konzentriert sich bislang bei über Draht basierte Technologien nur auf Aluminium und Titan Legierungen. Magnesium Legierungen werden nur vereinzelt über Pulver basierte Technologien hergestellt, wobei die Pulver aus USA Einführbeschränkungen unterliegen und sehr hohe Einkaufs- und Zollkosten ausweisen und nicht viele Legierungen kommerziell verfügbar sind.

Im Vergleich zu den Pulver basierten Herstelltechnologien bietet die Draht basierte Plasma Lichtbogen Technologie Vorteile im Hinblick auf Sicherheitsaspekte, in der erreichbaren Bauteilgröße sowie im Bereich der Auftragsrate.

Erwartete Ergebnisse

Die erfolgreiche Entwicklung von neuen Magnesium Legierungen und Composites unter Verwendung der Draht basierten Herstelltechnologien inklusive der Drahtherstellung ermöglicht eine österreichische Wertschöpfungskette für die Herstellung von hoch anspruchsvollen Bauteilen für den Raumfahrtbereich.

Projektleitung

RHP-Technology

Projektpartner:innen

AIT Austrian Institute of Technology LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH

RHP-Technology
Forschungs- und Technologiezentrum
Dr. Erich Neubauer
A-2444 Seibersdorf