Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik
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Cold Spray (Kaltgasspritzen)

Additive Fertigung mittels kinetischer Energie

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Das Video zeigt die Beschichtung eines Wellenabsatzes aus Aluminium mit Reinkupfer.

Was ist Cold Spray?

Cold Spray (Kaltgasspritzen) ist ein innovatives Verfahren des thermischen Spritzens und ermöglicht die Herstellung von Bauteilen und Beschichtungen ohne nennenswerten Wärmeeintrag, was zu minimaler thermischer Verformung und einer hohen Bindung zwischen den Schichten führt. Cold Spray hat in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen und eröffnet besonders in der Additiven Fertigung neue Möglichkeiten.

© Fraunhofer IPK
Fertigungssystem mit Kaltgaspistole an einem Robotersystem in der Beschichtungskabine.

Wie funktioniert Cold Spray?

Beim Kaltgasspritzen werden Pulverpartikel mithilfe eines Trägergasstroms beschleunigt und auf die Oberfläche eines Substratwerkstoffs geschossen. Die Partikel erreichen aufgrund der speziellen Düsengeometrie und dem damit verbunden thermodynamischen Effekt eine Geschwindigkeit von bis zu 1200 m/s und verformen sich plastisch beim Aufprall auf der Oberfläche. Durch die Verformung bildet sich beim Auftrag eine Werkstoffschicht mit hoher Dichte und fester Haftung. Die niedrigen Temperaturen des Verfahrens verhindern dabei ein Aufschmelzen der Pulverpartikel während des Prozesses. So bleiben die ursprünglichen Eigenschaften der Werkstoffe erhalten und Oxidation sowie thermisch induzierte Eigenspannungen werden weitgehend vermieden.

Cold Spray in der Additiven Fertigung

Bei additiven Fertigungsverfahren wird auf unterschiedliche Weise Schicht für Schicht Material aufgetragen, um aus digitalen 3D-Modellen physische Objekte zu erzeugen. Cold Spray Additive Manufacturing (CSAM) ergänzt diese Technologie durch die Möglichkeit, komplexe Geometrien mit besonderen Eigenschaften und großen Dimensionen herzustellen.

© Fraunhofer IPK
Rotor eines Elektromotors mit additiv gefertigtem Permanentmagnet aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB)
© Fraunhofer IPK
Mittels Cold Spray additiv gefertigte, topologieoptimierte Leichtbaukomponente
© Fraunhofer IPK
Halbzeug für Rundzugproben aus Reinkupfer mit 80 mm Höhe

Vorteile von Cold Spray

 

  • Niedrige Prozesstemperaturen: Verhindert Verzug durch thermisch induzierte Eigenspannungen und Änderungen der Materialeigenschaften temperaturempfindlicher Werkstoffe.
  • Hohe Schichtqualität: Durch die kinetische Energie der Partikel entsteht eine Schicht mit geringer Porosität und einer hohen Anhaftung zur Substratoberfläche.
  • Vielseitigkeit: Verschiedene Werkstoffe wie Metalle, Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe und Polymere können verarbeitet werden. Zudem können nicht schweißbare Werkstoffpaarungen durch das Cold-Spray-Verfahren miteinander verbunden werden, wodurch bisher nicht realisierbare Werkstoffkombinationen möglich sind.
  • Designfreiheit und Komplexität: Als robotergeführtes Verfahren ist die Fertigung großer Bauteile mit Abmessungen von mehr als zwei Metern möglich. Die leistungsfähige Steuerung, die neben den sechs Roboterachsen auch zusätzlich einen Drehkipptisch steuern kann, ermöglicht die Fertigung von Bauteilen mit komplexen Geometrien.
  • Effizienz: Das Cold-Spray-Verfahren ermöglicht im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren eine der höchsten Aufbauraten. Abhängig vom Material lassen sich Aufbauraten von bis zu 12 kg/h erzielen, dabei kann gleichzeitig eine Auftragseffizienz von bis zu 99 Prozent erreicht werden.

 

Anwendungsmöglichkeiten

 

  • Reparatur und Aufarbeitung: Verschlissene oder abgenutzte Teile können schnell und effizient repariert werden, indem Material aufgetragen wird. Auch nicht schweißbare oder anderweitig schwer reparierbare Werkstoffe wie Magnesium, Grau- oder Weißguss lassen sich durch das Cold-Spray-Verfahren instand setzen.
  • Funktionsintegrative Bauteile: Kaltgasspritzen ermöglicht die Fertigung von Bauteilen mit unterschiedlichen Werkstoffen und Materialeigenschaften in einem einzigen Bauteil.
  • Leichtbau: Das Verfahren kann verwendet werden, um leichte, aber dennoch steife Strukturen zu schaffen.