Jüngste Fortschritte in der Technologie und der Materialwissenschaft haben neue Möglichkeiten eröffnet, wobei die additiv gefertigte Produktion von Tag zu Tag an Popularität gewinnt. Ein Beispiel hierfür ist Enigma-DED ( https://www.enigma-ded.com/), ein führendes Unternehmen auf dem Gebiet fortschrittlicher additiver Fertigungstechnologie. Es setzt DED-Verfahren (Directed Energy Deposition Method) ein und treibt deren Verbreitung in der Branche der additiven Fertigung voran. Die Revolution, die der Einsatz von 3D-Druckern in der Materialwissenschaft auslöst, unterstützt die oberflächennahe Modifikation der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen und ermöglicht es Wissenschaftlern, Eigenschaften, Zusammensetzung und Anwendungsbereiche verschiedener Materialien zu verändern. Die Technologien zur Modifikation und Entwicklung neuer Materialien im Bereich der additiven Fertigung wachsen rasant. Die neuen Materialien bieten nahezu unbegrenzte Einsatzmöglichkeiten in zahlreichen Branchen.
Additive Manufacturing hat zu Recht den Ruf als eine der innovativsten und fortschrittlichsten Technologien, vor allem aufgrund ihrer außergewöhnlichen Fähigkeit und ihres Potenzials, die Erstellung neuer Materialien zu revolutionieren. Die Materialwissenschaft war jahrelang bei der Entwicklung, Erforschung und Modifikation neuer Materialien durch das Fehlen geeigneter Verarbeitungsmethoden eingeschränkt. Traditionelle Fertigungsverfahren verwendeten jahrelang einen homogenen Ansatz für Materialien. Dieser Ansatz machte das Mischen von Materialien in der traditionellen Fertigung schwierig. Die Strategien des neuen Ansatzes in der traditionellen Materialwissenschaft haben das Fachgebiet revolutioniert und neue Möglichkeiten eröffnet.
Heute werden ständig Verbesserungen und Änderungen am additiven Fertigungsverfahren vorgenommen. Ein wichtiger Vorteil des additiven Fertigungsverfahrens ist dessen Fähigkeit, komplexe und dichte Anordnungen verschiedener Metalle zu verarbeiten und den Fertigungsprozess zu optimieren. Darüber hinaus eröffnet die Hybridisierung von Metallen neue Möglichkeiten für innovative Konstruktionswerkstoff-Entwürfe.
Nehmen Sie Enigma-DED als Beispiel für die additive Fertigung: Damit lassen sich neuartige Werkstoffsysteme namens „funktionell gestufte Materialien“ in einem Stück herstellen. Dabei können wichtige strukturelle und funktionale Eigenschaften – wie Härte, Hitzebeständigkeit sowie thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit – stufenlos und gezielt variiert werden. Ein Beispiel: Ein zentrales Bauteil besitzt einen hitzebeständigen keramischen Kern und eine flexible metallische Außenhülle. Dieser individualisierte Konstruktionsansatz erfüllt extreme und spezialisierte technische Anforderungen – etwa in der Luft- und Raumfahrtindustrie oder bei medizinischen Geräten, insbesondere bei leichten, festen und biokompatiblen Metallen. Die additive Fertigung ermöglicht es uns, die Einschränkungen traditioneller Fertigungsverfahren und Werkstoffe zu überwinden.
Die Gestaltung und iterativen Prozesse, die mit der Entwicklung eines neuen technischen Werkstoffs verbunden sind, sind oft komplex und mühsam. Üblicherweise sind diese Prozesse von langen Produktentwicklungszyklen geprägt, die mit zeitaufwändigen Phasen und manuellen Arbeitsschritten gefüllt sind. Der additiven Fertigung gelingt es, diese Zeit- und Arbeitsaufwände durch schnelles Prototyping und bedarfsgerechte Testverfahren zu eliminieren, wodurch der gesamte Workflow hochgradig produktiv wird.
Bei Enigma-DED nutzen wir die additive Fertigung, um die Leistung neuer Metall- oder Keramikwerkstoffe innerhalb weniger Tage statt Wochen zu testen – und zwar in kleinen Fertigungschargen. Wir prüfen die Werkstoffe hinsichtlich Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und thermischer Stabilität. Darüber hinaus können wir angepasste Zusammensetzungen der Werkstoffe rasch simulieren und herstellen.
Diese Fähigkeit zur schnellen Iteration hilft dabei, Konstruktionsfehler frühzeitig zu erkennen und effiziente Anpassungen einzubauen. Mithilfe fortschrittlicher 3D-Drucktechnologien wie dem DED-Verfahren von Enigma-DED wird die Zeit für einen vollständigen Entwicklungszyklus eines Werkstoffs deutlich verkürzt. Verworfenen Prototypen gehen Rohstoffe verloren; durch den 3D-Druck wird dies jedoch minimiert, wodurch auch die Gesamtkosten des Werkstoffentwicklungszyklus sinken.
Die Leistung eines Materials ergibt sich aus einer Kombination verschiedener Faktoren: seinen Eigenschaften, seiner Struktur sowie der Architektur dieser Struktur auf mikroskopischer und gitterbasierter Ebene. Vor diesem Hintergrund nutzen wir bei Enigma-DED den 3D-Druck, um metallische 3D-Drucksysteme zu konzipieren und herzustellen, die der Endnutzer selbst steuern kann – mit dem Ergebnis maßgeschneiderter Materialien. Durch diese Steuerung können wir hochentwickelte und komplexe Mikrostrukturen erzeugen, bei denen die Körner miteinander verbunden sind und die Festigkeit um 30 % über der von Metallen liegt, die mit traditionelleren Verfahren geschmiedet wurden.
Einer der Hauptvorteile der additiven Fertigung ist die Kontrolle über die Porosität metallischer Strukturen. So lässt sich beispielsweise mittels additiver Fertigung starkes, leichtes Metall mit winzigen, gleichmäßig verteilten Poren herstellen – eine Eigenschaft, die in der Automobil- und Luftfahrtindustrie besonders gefragt ist. Gleichzeitig können metallische Strukturen aber auch vollständig massiv ausgeführt werden, was etwa für medizinische Implantate oder luftdicht zu haltende Luftfahrtkomponenten von Vorteil ist. Diese gezielte Steuerung der Porosität verbessert Leistung und Funktionalität des Materials. Leichte, robuste und belastbare Strukturen, die für Kunden von Enigma-DED gefertigt werden, verdeutlichen diese Vorteile.
Enigma-DED nutzt eine abfallreduzierende additive Fertigung. Bei der konventionellen Fertigung entsteht in jedem Verarbeitungsschritt Materialabfall. Der Materialabfall bei Enigma-DED treibt die Kosten nach oben.
Im Gegensatz zu anderen Arten der Materialprüfung weist die Prüfung durch Enigma-DED Abfallanteile unter 5 % auf. Andere Prüfmethoden weisen Abfallanteile von 50 % oder mehr auf. Herkömmliche Methoden verschwenden viel Material, insbesondere teure Werkstoffe wie Titanlegierungen und hochentwickelte Keramiken. Die Enigma-DED-Methode spart Geld und andere Ressourcen, indem getestete Proben nach der Prüfung entsorgt werden.
Darüber hinaus ermöglicht die additive Fertigung einen reibungsloseren Übergang vom Prototyping neuer Metalle oder Keramiken zur Serienproduktion. Der Materialeinsatz ist konsistent und gleichmäßig. Es besteht keine Notwendigkeit, den Materialbedarf aufgrund von Ineffizienzen zu überschätzen. Beispielsweise ist beim Herstellen neuer Titanlegierungen für Luft- und Raumfahrtkomponenten kein additiver Fertigungsprozess erforderlich, um Material nachträglich zu bearbeiten. Dies trägt zur Erhaltung der Entwicklung neuer Werkstoffe bei und senkt die Gesamtkosten für Forschende.
Superallegierungen, Metalle und spröde Keramiken sind Hochleistungswerkstoffe. Lange Zeit mussten spezialisierte Anwendungen mit Hochleistungswerkstoffen auf herkömmliche Weise bearbeitet werden. Additive Fertigung verändert nun die Art und Weise, wie Hochleistungswerkstoffe verarbeitet werden.
Enigma-DED nutzt additive Fertigung zur Bearbeitung spröder Keramiken – Werkstoffe, die bei herkömmlichen Bearbeitungsverfahren typischerweise Risse bilden. Durch optimale Temperaturkontrolle, schichtweises Auftragen und Rissvermeidungsmechanismen löst die additive Fertigung dieses Problem, sodass spröde Keramiken nun eingesetzt werden können.
Darüber hinaus ermöglicht die additive Fertigung auch die Konstruktion und Herstellung strahlungsbeständiger Metalle für die Kernindustrie sowie hitzebeständiger Superlegierungen für die Luft- und Raumfahrt. In der Kernindustrie müssen verwendete Metalle über einen längeren Zeitraum hinweg starker Strahlung standhalten; Superlegierungen in der Luft- und Raumfahrt müssen ihre strukturelle Integrität bei Hochtemperaturbetrieb bewahren und extremen Wetterbedingungen widerstehen. Die additive Fertigung löst eine breite Palette von Problemen bei der Herstellung spezialisierter Materialien und bewältigt Herausforderungen, die in verschiedenen Bereichen wie Luft- und Raumfahrt sowie der Herstellung medizinischer Geräte bestehen.
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