Grundlagenuntersuchung zum Pulversmoke-Phänomen beim selektiven Elektronenstrahlschmelzen

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Carolin Körner, seit 1/2023
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448758899

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel dieses Projektes war es, ein grundlegendes Verständnis der sogenannten „Smoke“ Ereignisse während des Elektronenstrahl-Pulverbettschmelzens (PBF-EB) zu erlangen. Beim Smoke führt die Interaktion des Elektronenstrahls mit dem Metallpulver zu einer explosiven Zerstreuung des Pulverbetts und damit im Allgemeinen zum Prozessabbruch. Es wurde gezeigt, wie das Smoke-Phänomen sich stufenweise entwickelt, wobei einer Heizphase eine lokale Aufwirbelung des Pulverbettes mit anschließender Lawinenbildung folgt. Die auslösenden Mechanismen für jede Phase wurden detailliert untersucht. Entgegen der Literaturmeinung deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die lokale Aufwirbelung des Pulverbettes als initiierendes Ereignis nicht maßgeblich von elektrostatischen Kräften initiiert wird. Die plötzliche Verdampfung von Restgasen aus dem Pulver bei schneller Erwärmung durch den Strahl wurde als ein wesentlicher Mechanismus identifiziert. Erst in der Lawinenphase kommt die elektrische Ladung voll zum Tragen. Pulverpartikel in der Atmosphäre werden durch die direkte oder indirekte Wechselwirkung mit dem Strahl elektrisch geladen, wobei die Coulombkräfte einzelne Partikel in Richtung des Pulverbettes beschleunigen und so den Lawineneffekt einleiten. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wurde ein Modell für die Smoke-Entwicklung erstellt und eine entsprechende Optimierungsmethode für die Scanstrategie erfolgreich unter Extrembedingungen getestet. Darüber hinaus wurde gezeigt, wie durch Analyse der Rückstreuelektronen die Existenz lokaler Aufwirbelungen im Pulverbett vor dem eigentlichen Smoke Ereignis klar erkannt werden können. Dies eröffnet nun die Möglichkeit, Smoke Ereignisse durch eine entsprechende Regelung prozesstechnisch zu verhindern.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Actual state-of-the-art of electron beam powder bed fusion. European Journal of Materials, 2(1), 54-116.
  Fu, Zongwen & Körner, Carolin
  
• Electron-optical observation of smoke evolution during electron beam powder bed fusion. Additive Manufacturing, 70, 103578.
  Ye, Jihui; Renner, Jakob; Körner, Carolin & Fu, Zongwen
  
• Correlating outgassing and smoke phenomenon in electron beam powder bed fusion of Ti6Al4V using a residual gas analyzer. Progress in Additive Manufacturing, 10(4), 2191-2203.
  Ye, Jihui; Chen, Tiejue & Körner, Carolin
  
• Revealing the Mechanisms of Smoke during Electron Beam–Powder Bed Fusion by High-Speed Synchrotron Radiography. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 8(3), 103.
  Ye, Jihui; Semjatov, Nick; Bidola, Pidassa; Lindwall, Greta & Körner, Carolin