Laserbasierte additive Fertigung von Metallteilen aus Pulvern in Schwerelosigkeit

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andrè Katterfeld; Professor Dr.-Ing. Ludger Overmeyer
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 456663377

Für jede länger andauernde Weltraummission (z.B. einem Flug zum Mars) werden Ersatzteile benötigt, um das Raumschiff reparieren und somit betriebsbereit halten zu können. Anstatt die Ersatzteile auf der Erde zu produzieren und mitzunehmen, können diese auch während der Mission durch additive Fertigung (AF) hergestellt werden. Durch die Verwendung von AF wird die Gesamtmasse der Mission stark reduziert und auch ihre Sicherheit erhöht, indem flexibler auf Komponentenausfälle reagiert werden kann.Es wurden mehrere AF-Prozesse entwickelt, die in der Schwerelosigkeit funktionieren. Bisher wurde jedoch noch kein AF-Prozess entwickelt, der in der Schwerelosigkeit arbeitet und in der Lage ist endkonturnahe Teile zu fertige, Oberflächen zu reparieren und verschiedene Legierungen herzustellen. Der „Laser Metal Deposition“-Prozess (LMD) ist in der Lage diese Ziele zu erreichen. Während des LMD-Prozesses erzeugt ein Laserstrahl ein Schmelzbad auf dem Werkstück. Gleichzeitig wird dem Schmelzbad Metallpulver zugeführt. Währen der Laserstrahl sich auf dem Werkstück fortbewegt, erstarrt das Schmelzbad und somit entsteht eine Erhebung auf dem Werkstück.Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung und Charakterisierung des LMD-Prozesses in der Schwerelosigkeit. Die Charakterisierung des LMD-Prozesses wird durch die Untersuchung von den gefertigten Proben erreicht. Folgende Eigenschaften der Proben werden analysiert: Geometrie, Metallographie, Härte und einachsige Zugfestigkeit. Die wichtigsten Prozessparameter, die während des LMD-Prozesses variiert werden sind die Strahlleistung, die Pulvereigenschaften und die Vorschubgeschwindigkeit.Um das Forschungsziel zu erreichen, werden die folgenden beiden Primärziele verfolgt: Die Pulverzuführung und die laserbasierte Erzeugung eines Schmelzbades müssen in Schwerelosigkeit funktionieren. Für die Erreichung beider Primärziele sind grundlegende wissenschaftliche Untersuchungen in Schwerelosigkeit notwendig. Die Schwerelosigkeit auf der Erde wird erzeugt durch die Nutzung eines Einstein-Elevators. Der Einstein-Elevator ist ein neuartiger Fallturm, der über eine wesentlich höhere Wiederholrate als konventionelle Falltürme verfügt und somit das Testen einer höheren Anzahl an Proben ermöglicht.Innerhalb dieses Forschungsprojektes werden zwei Prototypen zur Pulverzuführung gebaut und im Einstein-Elevator getestet: Der erste Prototyp ermöglicht die unstetige Zuführung von Pulver und der zweite die stetige Zuführung. Bei der Entwicklung der Prototypen werden moderne numerische Verfahren (CFD/DEM) zur Simulation des Gas- und Partikelverhaltens unter Schwerelosigkeit genutzt.Das laserbasierte Schmelzen von Metallen wird untersucht, indem ein Laser in den Einstein-Elevator integriert wird. Damit der Laser betrieben werden kann, muss eine Prozesskammer aufgebaut werden in der eine Edelgas-Atmosphäre herrscht. Weiterhin muss eine portable Energiequelle und eine Wärmetausche in den Einstein-Elevator integriert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Laserquelle
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser