Experimentelle und modellhafte Betrachtung der Lichtpropagation sowie Temperaturverteilung in der laserbasierten Directed Energy Deposition von thermoplastischen Kunststoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411532653

Der Energieeintrag und die resultierenden Temperaturfelder haben einen entscheidenden Einfluss auf die prozesssichere Verarbeitbarkeit im DED-LB/P-Prozess und die Probekörpereigenschaften (z.B. Oberflächenqualität, mechanische Eigenschaften). Die zunehmende Bauhöhe erhöht zudem die Komplexität aufgrund veränderter Randbedingungen (z.B. Variation der optischen Eigenschaften, Wärmeakkumulation). Zur Einstellung geeigneter zeitlicher Temperaturverteilungen im Pulverstrahl, in den aufgebauten Kunststoffstrukturen und im Substrat ist ein verbessertes Verständnis für die Laserlichtpropagation im DED-LB/P-Prozess erforderlich. Die Zielsetzung dieses Forschungsvorhabens ist es die Wirkzusammenhänge zwischen den Prozessparametern, den sich ausbildenden Temperaturfeldern und den resultierenden Probekörpereigenschaften im DED-LB/P-Prozess mit einem Thulium-Faserlaser (λ = 1,94 µm) aufzuklären. Aufgrund der hohen Strahlqualität, einfachen und robusten Integrierbarkeit in die Anlagentechnik mittels Glasfaser sowie höheren erreichbaren Schichtstärke durch Volumenabsorption, stellt diese Laserstrahlquelle eine vielversprechende Alternative zu CO2-Lasern in der Lasermaterialbearbeitung von Kunststoffen dar. Zur Erreichung des Ziels soll die Laserlichtpropagation bei einer Wellenlänge von 1,94 µm im Pulverstrahl und in den aufgebauten Kunststoffstrulturen quantitativ sowie ortsaufgelöst mithilfe einer Monte-Carlo-Simulationsumgebung vorhergesagt werden. Die Grundlage hierfür bilden die optische Charakterisierung mithilfe eines Doppelulbrichtkugelaufbaus, die Inverse-Adding Doubling Methode zur Beschreibung der Absorptions- und Streueigenschaften und eine In-situ-Pulverstrahlanlyse mittels Highspeed-Kamera-Aufbau. Das aufgeklärte theoretische Verständnis zur Laser-Material-Interaktion soll dazu genutzt werden ein fundamentales Prozesswissen bezüglich der Energie- und Temperaturverteilung in DED-LB/P zu generieren. In diesem Zusammenhang soll in Abhängigkeit von den eingesetzten Ausgangsmaterialien (Polyamid 12, Polyetheretherketon) und den Prozessparametern abgeschätzt werden, inwieweit die Pulverpartikel im Flug erwärmt oder bereits durch die direkte Laser-Material-Interaktion aufgeschmolzenen bzw. thermisch zersetzt werden. Darüber hinaus sollen die sich ausbildenden Temperaturfelder in der aufgebauten Struktur und im Substrat vorhergesagt werden. Durch das Aufklären der Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern, dem Temperaturhaushalt und den Bauteileigenschaften, kann die Systemtechnik entsprechend ausgelegt werden, Prozessgrenzen quantifiziert werden und DED-LB/P-spezifische Prozessstrategien abgeleitet werden, damit sich Bauteile mit maßgeschneiderten funktionalen Eigenschaften realisieren lassen. Darüber hinaus soll das aufgebaute Wissen zur Laser-Material-Interaktion perspektivisch als Grundlage für den Einsatz eines Thulium-Faserlasers in weiteren laserbasierten Fertigungsprozessen, wie z.B. dem Laserstrahlschmelzen im Pulverbett (PBF-LB/P), dienen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen