Laserbasierte Erzeugung von Titan-Schaumstrukturen aus der Flüssigphase durch Gasfreisetzung oder Induzierung eines gasbildenden Prozesses aus einem Treibmittel
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des durchgeführten Forschungsvorhabens konnte gezeigt werden, dass sich in einem Laserprozess Titanschäume herstellen lassen. Es wurde ein laserinduzierter Schäumprozess entwickelt, welcher zu reproduzierbaren Ergebnissen führte. Die Schaumstabilität konnte durch die kurze Prozesszeit sichergesteirt werden. Es konnten Kugelporen in der aufgeschmolzenen Titanmatrix erzeugt werden. Es wurden Porositäten von über 35 % erzielt. Hierbei ist neben dem Laserfokus, der Verfahrgeschwindigkeit und Leistung auch die Einstellung von dem Düsengas zu berücksichtigen, so dass kein Sauerstoff in die Schutzgaskammer verwirbelt wird. Mit allen Treibmitteln ließen sich Poren in der Titanmatrix erzeugen, wobei die Karbonate eine deutlich geringere Zersetzungstemperatur als den Schmelzpunkt von Titan aufweisen. Im Falle von MgTiO3, welches die höchste Zersetzungstemperatur aufwies, konnte ein breiteres Prozessfenster erzielt werden. Über die Mischung der Schaummittel wurde eine höhere Porosität gegenüber den einzelnen Schaummitteln erzielt. Durch die Zugabe von Kohlenstoff konnte nur eine geringfügige Erhöhung der Porosität erzielt werden, was darauf hinweist, dass der Kohlenstoff aufgrund der geringen Zersetzungstemperatur von 600°C nicht mehr zur Verfügung steht, wenn das Magnesium-meta-titanat bei 1400°C zersetzt. Für weitere Untersuchungen sind Karbonate mit höheren Zersetzungstemperaturen zu wählen, um einerserts gesteigerte Porositäten zu erzielen und andererserts durch eine kürzere Prozesszeit die Porenradienverteilung werter einzugrenzen. Über EDX Messungen konnte nachgewiesen werden, dass die erzeugten Schaumstrukturen eine hohe Reinheit haben. Dies konnte mrt Hilfe von Heißgasextraktion in Kombination von Flammenspektroskopie bestätigt werden. Dies ist unabdingbar für einen Einsatz der Strukturen als tmplantatmaterial. Die mechanischen Eigenschaften der Ti-Matrix konnten über Nanoindentationsmessungen geprüft werden. Eine Übertragung des Prozesswissens auf einen einstufigen Prozess blieb erfolglos, da das Treibmittel im Prozess vorzertig verdampfte. Jedoch konnten mit dem laserinduzierten zweistufigen Schäumverfahren flächige Strukturen durch Anpassen des Prozesses erzeugt werden. Über einen manuellen Prozess konnten Volumenproben realisiert werden. Hierbei erwies es sich als günstig, die einzelnen Lagen mit einer Höhe von je etwa 2 mm zu legen, so dass die vom Laser induzierte Energie ausreicht, dass die einzelnen Lagen aneinander schmelzen. So konnten Porosrtäten von 20 % für flächige Proben und < 10 % für Volumenkörper realisiert werden. Eine Anwendung für die geschäumten Proben ist insbesondere im Bereich medizinischer Implantate zu finden, aber auch in der Luft- und Raumfahrt denkbar. Für einen Einsatz der Materialien ist es von Interesse, größere Volumina zu erreichen. Dies ist durch das Erzeugen von Schichtstapeln gelungen, jedoch sind die Prozesse weiter zu untersuchen, um nicht nur eine höhere Porosrtät zu erzielen, sondern auch die Porenradienverteilungen in der Streuung einzugrenzen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Laser based manufacturing of closed TI FOAM. Book of Abstracts 9th European Conference on Foams, Emulsions and Applications (EUFOAM 2012), Lissabon, Portugal, S. 118, 2012
F. Pape, C. Nölke, S. Kaierle, H. Haferkamp
- Processing Ti foam with selective laser merting. Proceedings (CD). Celullar Materials (CELLMAT), 07.11.-09.11.2012, Dresden, S. 1-4, 2012
F. Pape, A. Grüninger, N. Sathiyanathan, C. Nölke, S. Kaierle, T.M. Gesing, Thorsten M. H. Haferkamp
- Influence of Foaming Agents to Laser Based Manufacturing of Closed Ti Foam. Proceedings of the 8th International Conference on Porous Metals and Metallic Foams (Metfoam 2013), Raleigh, USA, 2013
F. Pape, C. Nölke, S. Kaierle, T.M. Gesing, H. Haferkamp
