Im Zentrum des Projekts UltraGRAIN stand eine zentrale Frage der Additiven Fertigung: Wie lassen sich Bauteile so herstellen, dass ihre innere Struktur gezielt zur späteren Funktion passt? Das Projekt zeigt einen praktikablen Weg, Mikrostrukturen nicht länger dem Prozess zu überlassen, sondern sie dort einzustellen, wo Festigkeit, Lebensdauer oder Belastbarkeit entscheidend sind. Für industrielle Anwender eröffnet das neue Spielräume in der Auslegung additiv gefertigter Metallbauteile. Prof. Christoph Leyens, Institutsleiter des Fraunhofer IWS, ordnet ein: »UltraGRAIN zeigt, wie wir am Fraunhofer IWS neue Fertigungstechnologien konsequent von der Idee bis zur industriellen Anwendung entwickeln. Die Ergebnisse sind wissenschaftlich hochinteressant und bilden eine hervorragende Basis für den zukünftigen Industrietransfer.«

Innovationssprung in der Prozessführung

Zu Beginn setzte UltraGRAIN auf Ultraschall, um die Kornbildung im Schmelzbad zu beeinflussen. Im Projektverlauf vollzog das Konsortium einen klaren Technologiesprung: Der Ultraschallansatz wurde durch eine gepulste, laserinduzierte Anregung des Schmelzbads ersetzt. Diese Lösung arbeitet kontaktlos, ist unabhängig von der Bauteilgeometrie und erfüllt die Anforderungen industrieller Produktionsumgebungen.

Die pulslaserinduzierte direkte Schmelzbadanregung lässt sich in bestehende Anlagen für das laserbasierte Auftragschweißen (engl. DED-LB) integrieren. Anders als bei der Ultraschallmethode lassen sich durch den gepulsten Laser auch komplexe Bauteilgeometrien herstellen. In Demonstratorbauteilen erzielte das Projekt eine Reduktion der Korngröße um bis zu 75 Prozent. Damit wird es erstmals möglich, mikrostrukturell und funktional optimierte Zonen direkt während des Fertigungsprozesses zu erzeugen.

»Wir haben bewusst auf eine Lösung gesetzt, die industriell funktioniert«, erläutert Jacob-Florian Mätje, Hauptansprechpartner für das Projekt und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IWS. »Die laserbasierte Anregung erlaubt es, Mikrostrukturen gezielt dort einzustellen, wo sie für die Bauteilfunktion einen echten Unterschied machen«.

Mehrwert durch integrierte Kompetenzkette

Ein zentrales Alleinstellungsmerkmal von UltraGRAIN liegt in der engen Verzahnung von Laserprozess, Simulation, Designmethodik und Werkstoffentwicklung. Das Fraunhofer IWS integrierte die pulslaserinduzierte Schmelzbadanregung in reale DED-LB-Anlagen und validierte die Technologie unter industrienahen Bedingungen. Das Fraunhofer IAPT entwickelte Methoden zur Segmentierung, Pfadplanung und Parameterzuweisung für Bauteile mit lokal variierenden Mikrostrukturen. Die RMIT University ergänzte das Projekt durch multiskalige Modellierung, simulationsgestützte Prozessauslegung und Optimierungskonzepte im Sinne eines integrierten Computational Materials Engineering. Dr. Andrey Molotnikov, Professor and Director of the Centre for Additive Manufacturing at RMIT University, betont: »Die aktive Zusammenarbeit der Projektpartner prägte das ICON-Projekt maßgeblich. UltraGRAIN verbindet digitale Modelle und reale Fertigung zu einem durchgängigen Ansatz. Die enge Verzahnung von simulationsgestützter Prozessauslegung und Additiver Fertigung beschleunigt den Transfer in industrielle Anwendungen und stärkt die internationale Zusammenarbeit im Advanced Manufacturing.«

Praktische Relevanz für Industrie und Forschung

Die Ergebnisse von UltraGRAIN sind für Branchen mit hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften und die Lebensdauer von Bauteilen relevant. Dazu zählen Maschinenbau, Luft- und Raumfahrt, Energietechnik, Turbomaschinenbau, Automobilindustrie sowie der Werkzeug- und Formenbau. Unternehmen profitieren von Bauteilen, deren Mikrostruktur gezielt an Belastung und Funktion angepasst ist. Das senkt den Materialeinsatz, erhöht die Lebensdauer und verbessert das gesamte Eigenschaftsprofil des Bauteils. UltraGRAIN hat gezeigt, dass sich diese Struktur während des Bauens einstellen lässt.

Internationale Zusammenarbeit mit strategischer Wirkung

Die Projektpartner präsentierten die Ergebnisse von UltraGRAIN auf internationalen Fachkonferenzen und Messen, darunter ICALEO, ICAM, APICAM und EUROMAT. Die Zusammenarbeit wirkt über das Projekt hinaus. Im Dezember 2025 unterzeichnete die Leitung des Fraunhofer IWS Absichtserklärungen mit der RMIT University und der Swinburne University of Technology in Melbourne zur Vorbereitung von Transfer- und Folgeprojekten. Diese stärken langfristige internationale Innovationsstrukturen im Advanced Manufacturing. Aus Sicht der RMIT University unterstreicht UltraGRAIN insbesondere den Mehrwert simulationsgestützter Prozessauslegung und internationaler Kooperation für die industrielle additive Fertigung.