Hochdurchsatz Direct Energy Deposition (DED-LB\M) zur Erzeugung maßgeschneiderter Metalllegierungen und Verbundwerkstoffe unter Verwendung von in-situ-Legierungsansätzen und quasi-simultaner Strahlformung (H-T DED)

• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434534335

Seit 2013 wird am Institut für Photonische Technologien der FAU Erlangen-Nürnberg das Direct Energy Deposition (DED-LB\M) untersucht. In diesem Zeitraum wurde ein grundlegendes Prozessverständnis erarbeitet. Dieses umfasst die Herstellung von schwer zu schweißenden Werkstoffen, Verbundwerkstoffen und die Erzeugung komplexer Metalllegierungen durch In-situ-Legierungsbildung. Kommerziell verfügbare Anlagentechnologien sind jedoch aufgrund der fehlenden Prozessüberwachung und der Übertragbarkeit auf großvolumige Bauteile limitiert. Aufgrund des hohen Automatisierungsgrads und der verfügbaren Prozessüberwachung übertrifft das vorgestellte DED-LB\M-Anlagenkonzept den Stand der Technik für Hochdurchsatzuntersuchungen deutlich. Für die Materialbearbeitung wird ein 5-Achs-Modul mit integriertem Single-mode-Faserlasersystem eingesetzt. Der Laser bietet die Möglichkeit, das Strahlprofil mit bis zu 50 MHz auf dem Prinzip der kohärenten Strahlkombination dynamisch zu modulieren. Diese quasi-simultane Strahlformung bietet einen höheren Freiheitsgrad bei der Beeinflussung von Prozesseigenschaften wie Abkühlraten, Prozessdynamik und den entsprechenden mechanischen Eigenschaften. Zudem kann dabei die Prozessstabilität verbessert und die Effizienz (z.B. Pulvernutzungsgrad) erhöht werden. Das benötigte Pulver wird von einem Pulverfördersystem, bestehend aus vier unabhängigen Pulverlinien für die in-situ-Legierungsbildung und integrierter Sensorik zur Erfassung zeitlicher Schwankungen der einzelnen Pulvermasseströme, zugeführt. Durch Verwendung schneller Pulverschalter kann die chemische Zusammensetzung des Pulverstroms im laufenden Prozess ohne signifikante zeitliche Verzögerung verändert und angepasst werden. Umfassende Prozessüberwachung wird durch die Kombination unterschiedlicher Messtechnologien wie einem Zweifarben-Pyrometer, einem Schmelzbadüberwachungssystem mittels IR-Kamera und einem Laserprofilscanner erreicht. Die erhaltenen Messdaten ermöglichen die frühzeitige Ermittlung geeigneter Prozessparameter, da unangemessene Einstellungen zu Fehlern im gefertigten Bauteil führen. Informationen über die lokale chemische Zusammensetzung der Proben können mit einem LIBS-System (Laser Induced Breakdown Spectroscopy), welches in einer separaten Prozesskammer integriert ist, evaluiert werden. Der Probentransfer erfolgt automatisiert durch einen Knickarm-Roboter, der die hergestellte Probe aus der DED-LB\M-Anlage entnimmt und in eine Reinigungsstation übergibt. Nach der Entfernung des Restpulvers wird die Probe an die LIBS-Einheit weitergeleitet. Während der LIBS-Messung wird ein neues Substrat am Dreh-Kipp-Tisch der Anlage befestigt, wodurch die zeitliche Verzögerung zwischen der Herstellung der Proben und der anschließenden Analyse durch Prozess-Parallelisierung verringert wird.

• DFG-Verfahren: Großgeräteinitiative
• Großgeräte: LMD-Anlage
• Gerätegruppe: 5740 Laser in der Fertigung
• Antragstellende Institution: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
• Leiter: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Mathias Göken; Professor Dr.-Ing. Tino Hausotte; Professorin Dr.-Ing. Marion Merklein
• Kooperationspartner: Professor Dr. Pavel Krakhmalev; Dr. Sergey Kuryntsev, bis 3/2022