Hochdurchsatzlegierungsentwicklung für Additive Fertigungsverfahren mittels 3D-Extrem- Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (3D-EHLA)

• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434555091

Additive Manufacturing (AM) ist ein Schlüsselfaktor für die individualisierte ressourceneffiziente Produktion von funktionsintegrierter Bauteile. Heute können AM ihr volles Potenzial nicht ausschöpfen, da es an Hochleistungswerkstoffen fehlt, welche die prozessinhärenten Bedingungen wie bspw. hohe Aufheiz- und Abkühlraten nutzen. Neuartige Methoden und Maschinen im Bereich der Hochdurchsatzverfahren für die Materialentwicklung sind daher zwingend notwendig. Insbesondere AM mit der Möglichkeit, mehrere Materialien/Elemente in-situ zu mischen, eignen sich für die ressourceneffiziente und automatisierbare Validierung zahlreicher Legierungen. Hierzu zählen insbesondere das Laser Material Depostion (LMD) und das Extremes Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (EHLA). Die Innovation von EHLA besteht darin, dass die zugeführten Pulverpartikel nicht erst im Schmelzbad aufgeschmolzen werden (vgl. LMD), sondern bereits im Freistrahl zwischen Düse und Oberfläche (s. Abb. 1). Die geschmolzenen Partikel treffen auf die Oberfläche und ermöglichen Schichtdicken zwischen 10-300µm bei Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 200 m/min. Aufgrund dieser Eigenschaften können die Abkühlraten beim Erstarren im Bereich von ca. 10^4-10^6K/s durch unterschiedliche Prozessgeschwindigkeiten, maßgeschneiderte Intensitäten, etc. variiert werden. So können bspw. Steigerungen gesteuert werden, um Versagensmechanismen zu beeinflussen (z.B. TWIP, TRIP).Bisher beschränkt sich der Einsatz von EHLA aufgrund der hohen Geschwindigkeiten von bis zu 200m/min auf rotationssymmetrische Teile. Entwicklungen beim Fraunhofer ILT zeigen, dass EHLA auch im für 3D Teile einsetzbar ist. Mit einem solchen 3D Aufbau können kritische Bereiche, wie z.B. Umkehrpunkte (erhöhte Wärmeeinbringung, Änderung der Abkühlraten) untersucht werden. Diese Kombination - Geschwindigkeit und 3D-Fähigkeit - ermöglicht es, die beantragte 3D-EHLA Maschine auch zur Emulation anderer AM Technologien (z.B. L-PBF) einzusetzen. Die Maschine kann dabei bis zu 8 Pulver bei Prozessgeschwindigkeiten von 200m/min und Beschleunigungen von 5g verarbeiten. Zur Einstellung unterschiedlicher Temperaturprofile für die Steuerung der Schmelzbildung und Erstarrung können maßgeschneiderter Intensitäten über die Optik in der 3D-EHLA integriert werden. Darüber hinaus werden zahlreiche Geräte zur Materialcharakterisierung und Prozessbeobachtung (u.a. Pyrometer, LIBS) Bestandteil sein. Ihr unmittelbares Feedback über Prozesse und hergestellte Legierungen ermöglicht eine schnelle Anpassung der Legierungszusammensetzung und beschleunigt den Entwicklungsprozess. Damit deckt diese einzigartige Maschine nicht nur die Hochdurchsatz-Materialentwicklung für LMD ab, sondern bietet auch die Möglichkeit, verschiedene AM-Prozesse durch die Steuerung der lokalen Abkühlbedingungen von 10^2-10^6K/s zu emulieren. Zusammen mit der in-situ Materialmischung von LMD stellt dies einen völlig neuen Ansatz für die Materialentwicklung im Bereich AM dar (s. Abb. 1).

• DFG-Verfahren: Großgeräteinitiative
• Großgeräte: LMD-Anlage
• Gerätegruppe: 2110 Formen-, Modellherstellung und gießereitechnische Maschinen
• Antragstellende Institution: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
• Leiter: Professor Dr.-Ing. Johannes Henrich Schleifenbaum
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Christoph Broeckmann; Professor Dr.-Ing. Andreas Bührig-Polaczek; Professor Dr.-Ing. Christian Haase; Professor Dr.-Ing. Ulrich Krupp; Professor Dr. Peter Loosen; Professor Jochen M. Schneider, Ph.D.