Maßgeschneiderte Magnesiumlegierung für das selektive Laserschmelzen: Werkstoffentwicklung und Prozessmodellierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier; Professor Dr.-Ing. Ludger Overmeyer
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 409485213

In der ersten Förderperiode wurde erfolgreich ein neuer Ansatz zur Verbesserung der Prozessierbarkeit von Magnesiumlegierungen durch Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB) etabliert, indem das Oxidationsverhalten der Mg-Legierung angepasst wurde. Wie beabsichtigt wird weniger Laserenergie benötigt, um die Oxidschicht der Pulverpartikel aus der neuen Magnesium-Strontium (Mg-Sr)- Basislegierung aufzubrechen. Da Standard-Prozessparameter bei der neuen Legierung zu einem starken Verdampfen des metallischen Mg führen, soll im Folgeprojekt ein energieärmerer Laserprozess entwickelt werden. Diese Kombination aus geringer Oxidschichtdicke der Mg-Partikel und angepasstem Laserprozess ist aussichtsreich zur langfristigen Lösung des Hauptproblems bei der additiven Fertigung von Mg-Pulverlegierungen. Für diese Untersuchungen wird eine neue Laboranlage konzipiert, die die Prozessierung der neuen Mg- Legierungen mit einem erweiterten Prozessfenster ermöglicht. Durch variable Laserspotgrößen und eine Wellenlänge von 2 μm kann das Aufschmelzverhalten der Legierungen kontrolliert werden. Eine mit Wasserstoff dotierte Prozessatmosphäre verbessert die Bearbeitung zusätzlich. Das Ziel der Gruppe am LZH ist es, die Prozessumgebung für eine reproduzierbare additive Fertigung der Mg-Sr-Legierungen zu erforschen. Gleichzeitig wird mit der koaxialen Prozessüberwachung mittels eines Spektrometers eine innovative Form der Prozesskontrolle erforscht, die Vorhersagen über Bauteileigenschaften und Prozessfehler ermöglichen soll. Da eine effektive Reduzierung der Oxidschichtdicke mit Hilfe des Elements Sr erreicht wurde, konzentrieren sich die weiteren Untersuchungen auf die Entwicklung hoch biokompatibler Mg-Legierungen. Calcium (Ca) und Zink (Zn) sind für biomedizinische Anwendungen vielversprechend, da sie verglichen mit Seltenen Erden eine bessere Resorption zeigen und häufig zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Mg eingesetzt werden. Das Hauptziel der Gruppe am IW ist es, die Mg-Sr-Basislegierung mit Ca und Zn zu modifizieren, um Legierungen mit höherer Festigkeit zu erzeugen, die das vorteilhafte Oxidationsverhalten beibehalten. Da die Korrosionsrate ansteigt, wenn der Anteil von Ca 0,5 Ma.-% überschreitet, werden weitere Verbesserungen der Festigkeit durch den Einsatz von Zink erreicht. Dies ermöglicht neue Ansätze zur Einstellung der Korngröße und Sekundärphasen durch Wärmebehandlung, da die Mikrostrukturen der PBF-LB-Bauteile aufgrund der hohen Abkühlraten meist nicht im thermodynamischen Gleichgewicht sind. Das neue Werkstoffkonzept wird durch statische und zyklische mechanische Prüfungen in Kombination mit In-vitro- Korrosionsmessungen validiert und die Mechanismen in situ mittels tomographischer Analysen sowie detaillierter Mikrostrukturanalyse untersucht. Da Mg besonders für die Herstellung resorbierbarer Implantate geeignet ist, werden mit den gewonnenen Erkenntnissen abschließend Demonstratorbauteile, z.B. ein Implantat für die Osteosynthese, entwickelt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2122: Neue Materialien für die laserbasierte additive Fertigung