L-PBF-In-Situ-Prozessbeobachtungs-Großgerät

• Fachliche Zuordnung: Werkstofftechnik
• Förderung: Förderung in 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467260418

Es wird ein Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Gerät mit In-Situ-Emissionsspektroskopie, Vakuumkammer und Bauraumverkleinerung zur Verständnisgewinnung bei der (nanopartikeladdivierten) Metallpulverprozessierung beantragt. Die chemische Zusammensetzung während des LPBF-Prozesses in-situ-spektroskopisch zu verfolgen und dreidimensional zu rekonstruieren, ist entscheidend, um den Zusammensetzungsänderungen mit der Mikrostrukturbildung und den Eigenschaften des 3D-Bauteils zu korrelieren. Begleitend werden die Röntgenfluoreszenz (XRF) und die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) für die Elementanalyse nach der Herstellung der LPBF-Bauteile genutzt. Derartige Ex-Situ-Methoden erfordern jedoch eine mühsame und zeitaufwändige Vorbereitung und sind kaum für eine vollständige 3D-Rekonstruktion geeignet. Das hier beantragte LPBF-Gerät mit integrierter optischer Emissionsspektroskopie (OES) bietet eine schnelle Methode der In-Situ-Elementanalyse. Die OES, welche bereits für das Laserschweißen erfolgreich demonstriert wurde, ermöglicht die In-Situ-Metalldampffackelanalyse der jeweiligen zweidimensionalen Position des Schmelzlaserstrahls im Pulverbett, welche softwaretechnisch zu 3D-Informationen zusammengesetzt werden soll. Zudem soll die Korrelation der in situ gemessenen Emissionsspektren (insbes. Elementverhältnissen) und der Bulk-Zusammensetzung mittels zerstörungsfreier Ex-Situ-XRF und EDX-Mapping von Querschliffen erarbeitet werden. Das additive Laser-Powder-Bed Fusion-Verfahren (L-PBF) ist prädestiniert für die Nutzung der OES, da hier dreidimensionale Bauteile in Schichten von etwa 20 µm bis 100 µm durch lokales Aufschmelzen und Verfestigen von metallischem Pulvermaterial aufgebaut werden. Das Schichtbauprinzip des L-PBF Prozesses und der digitale Charakter der Schichterzeugung soll im beantragten Großgerät ausgenutzt werden, um die laserinduzierten Emissionen in Echtzeit während des Prozesses zu analysieren und eine vollständige räumliche Analyse der Zusammensetzung des hergestellten Teils zu erhalten. Das Gerät ermöglicht das bessere Verständnis der Prozesse entlang der Kette von Pulvereigenschaftsprofilen, LPBF-Prozessierung und Mikrostruktur-/Bauteileigenschaften. Das beantragte L-PBF-In-situ-Prozessbeobachtungs-Großgerät nimmt damit eine Schlüsselstellung ein, welche eine Hebelwirkung auf das materialwissenschaftliche, fertigungstechnische und physikalische Forschungsspektrum der beteiligten Lehrstühle ausübt.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: L-PBF-In-Situ-Prozessbeobachtungs-Großgerät
• Gerätegruppe: 5740 Laser in der Fertigung
• Antragstellende Institution: Universität Duisburg-Essen
• Leiter: Professor Dr.-Ing. Stephan Barcikowski