Welche Aluminiumlegierungen werden am häufigsten im WAAM für strukturelle Anwendungen eingesetzt?

Primäre Legierungen: Hervorragende Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit

Die Aluminiumlegierungen, die am häufigsten im Drahtlichtbogenadditivverfahren (WAAM) für strukturelle Anwendungen eingesetzt werden, werden in erster Linie aufgrund ihrer überlegenen Schweißbarkeit, ihres Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses und ihrer Beständigkeit gegen Erstarrungsrisse ausgewählt. Die 5xxx-Serie (Al-Mg)-Legierungen, insbesondere ER5183 und ER5087, sind grundlegende Wahlmöglichkeiten. Ihr Magnesiumgehalt (Mg) sorgt für Mischkristallverfestigung, ohne spröde Phasen zu bilden, die während der schnellen thermischen Zyklen des WAAM zu Rissen neigen. Diese Legierungen bieten ausgezeichnete Festigkeit im Schweißzustand, hervorragende Korrosionsbeständigkeit – insbesondere in maritimen Umgebungen – und werden häufig für großformatige Strukturkomponenten in Bereichen wie Marine und Transport eingesetzt.

Vielseitige, wärmebehandelbare Legierungen für erhöhte Festigkeit

Für Anwendungen, die eine höhere spezifische Festigkeit erfordern, sind die 6xxx-Serie (Al-Mg-Si)-Legierungen verbreitet. ER4043 (AlSi5) und ER4943 werden häufig als Zusatzdrähte verwendet. Der Siliziumgehalt (Si) verbessert die Fließfähigkeit, reduziert Heißrisse und sorgt für eine gute Schweißraupenkontur. Während ihre abgeschiedene Festigkeit niedriger ist als bei 5xxx-Legierungen, sprechen sie gut auf eine Nach-WAAM-Wärmebehandlung (Lösungsglühen und künstliche Alterung) an, was eine signifikante Festigkeitswiederherstellung und -steigerung ermöglicht. Dies macht sie geeignet für Strukturrahmen und -komponenten in der Luft- und Raumfahrt, wo eine nachträgliche Wärmebehandlung Standard ist.

Hochfeste Luft- und Raumfahrtlegierungen

Getrieben durch die Nachfrage aus dem Luft- und Raumfahrtsektor liegt ein erheblicher Fokus der Forschung und Entwicklung auf der Verarbeitung von hochfesten 2xxx-Serie (Al-Cu)- und 7xxx-Serie (Al-Zn)-Legierungen über WAAM. Legierungen wie 2024 (Al-Cu-Mg) und 7075 (Al-Zn-Mg-Cu) sind aufgrund ihrer außergewöhnlichen Festigkeit sehr begehrt. Ihre WAAM-Verarbeitung ist jedoch aufgrund der hohen Anfälligkeit für Erstarrungsrisse und erheblicher Porosität herausfordernd. Eine erfolgreiche Abscheidung erfordert oft eine präzise Kontrolle der Schutzgasatmosphäre, spezielle Drahtchemien mit Kornverfeinerern (z.B. Ti, Zr) und integrierte Zwischenlagenkühlung. Erfolgreiche Bauteile müssen in der Regel eine strenge Nachabscheidungswärmebehandlung und Heißisostatisches Pressen (HIP) durchlaufen, um optimale mechanische Eigenschaften und Dichte für kritische strukturelle Anwendungen zu erreichen.

Legierungsauswahl und Nachbearbeitungsaspekte

Die Auswahl einer Aluminiumlegierung für strukturelles WAAM ist ein Kompromiss zwischen Schweißbarkeit, erforderlichen mechanischen Eigenschaften und der Machbarkeit der Nachbearbeitung. Für nicht wärmebehandelbare 5xxx-Serie-Legierungen werden die Eigenschaften weitgehend während der Abscheidung festgelegt, was die Prozesskontrolle von größter Bedeutung macht. Für wärmebehandelbare 2xxx-, 6xxx- und 7xxx-Serien muss der WAAM-Prozess ein einwandfreies, rissfreies Vorformteil erzeugen, das zuverlässig auf nachfolgende thermische Zyklen anspricht. Unabhängig von der Legierung erfordern die meisten WAAM-gefertigten Aluminiumstrukturen eine abschließende CNC-Bearbeitung, um Maßgenauigkeit und Oberflächengüte zu erreichen, da das Verfahren ein nahezu endkonturnahes Teil liefert. Die Konvergenz von WAAM mit traditionellem Aluminium-3D-Druck und subtraktiven Techniken ermöglicht die Herstellung von optimierten, leichten Strukturkomponenten.