NSF-Antrag/Laser-Nachbearbeitung vielschichtiger Oberflächenstrukturen von additiv gefertigten Bauteile

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Vollertsen
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 386371584

Ziel dieses Forschungsvorhaben ist die Verbesserung der Oberflächenqualität und mechanischer Eigenschaften (z.B. Schwingfestigkeit) additiv gefertigter Bauteile aus Metall durch Laserumschmelzen. Zukunftsstrategien aus den Jahren 2015 und 2016 identifizierten die Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit als eine der entscheidenden Herausforderung in der Wissenschaft zur weiteren Steigerung der Leistungsfähigkeit additiver Bauteile. Das in diesem Vorhaben zu untersuchende Laserumschmelzen ermöglicht neben einer signifikanten Verbesserung der Rauheit und Bauteilfunktionalität, die Prozessintegration in bestehenden SLM Anlagen, wodurch sich eine zusätzliche Nachbearbeitung erübrigt.Innerhalb dieses Forschungsvorhabens wird sowohl der primäre Pulver basierte additiven Fertigungsprozess als auch das nachfolgende Laserumschmelzen (i.B. die Inkorporierung teilweise umgeschmolzener Pulverpartikel, Reduzierung der Porosität und die Glättung der Oberfläche) charakterisiert und deren Einflüsse auf das Bauteilermüdungsverhalten geklärt. Durch die geplante Kooperation können Kompetenzen zum selektiven Laserschmelzen (Universität Bremen, BIAS, Deutschland) und anschließendem Laserumschmelzen (Universität Wisconsin-Madison, USA) gemeinsam genutzt werden. Gewonnene Erkenntnisse zur Oberflächentopographie und -eigenschaften werden zukünftig dabei helfen die bisherigen Prozessgrenzen zu überwinden und das Potenzial der additiven Fertigung zu erweitern.Der wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit lässt sich in den folgenden drei Punkten zusammenfassen: (1) Erarbeitung eines grundlegenden Verständnisses der vielschichtigen Oberflächentopographie von Pulver basierter SLM Bauteile und deren Abhängigkeit von den Prozessparametern und des Ausgangsmaterial, sowie (2) Modellierung der physikalischen Abläufe, die eine Glättung der Oberfläche durch das Laserumschmelzen zur Folge haben, und (3) Klärung der Auswirkungen der Nachbearbeitung auf die mechanischen Eigenschaften im Vergleich zur Ausgangsoberfläche.Das geplante Vorhaben liefert darüber hinaus einen Beitrag zum fortschreitenden Trend hin zur individuellen Bauteilauslegung und ermöglicht Entwicklern zukünftig kundenspezifische, hochqualitative und preiswertere Bauteile herzustellen. Durch die Integration des Laserpolierens in bestehende Laser basierte additive Fertigungsanlagen lassen sich leistungsfähigere Bauteile herstellen und neue Märkte erschließen. Ausgehend von dem entwickelten Grundlagemodell lassen sich ähnliche Verbesserungen in der additiven Herstellung von Polymerbauteilen, dem Auftragsschweißen und für Mehrstoffprozesse erzielen. Diese Modelle können auch dazu dienen die Entwicklungssoftware von SLM Anlage weiter zu verbessern. Weitere gesellschaftliche Relevanz ergibt sich außerdem durch die Integration der Erkenntnisse in Bachelor-, Masterkurse und Graduiertenschulen, sowie der gezielten Förderung unterrepräsentierter Bevölkerungsgruppen und einer gezielten Öffentlichkeitsarbeit.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Frank Pfefferkorn