Electron Beam Powder Bed Fusion Anlage

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft
• Förderung: Förderung in 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510085108

Im Rahmen der Neuberufung der Heisenberg-Professur „Werkstoffe für die Additive Fertigung“ soll der Profilkern Materials.Inspire.Systems der Bergischen Universität Wuppertal um den Bereich der Werkstoffentwicklung für pulverbasierte additive Fertigungsverfahren erweitert werden. Direktschmelzende metallbasierte Additive Manufacturing (AM) Verfahren ermöglichen komplexe Bauteile mit großer Dichte und geometrischer Maßhaltigkeit herzustellen. Die Entwicklung innovativer, auf AM zugeschnittener Werkstoff- und Materialkonzepte stellt den Schwerpunkt des neu angesiedelten Lehrstuhls dar. Zur Werkstoffentwicklung in der additiven Fertigung wird eine Electron Beam Powder Bed Fusion (EB-PBF)-Anlage beantragt. Diese Anlage soll ein zentrales Element des Referenzlabors zur pulverbettbasierten Werkstoffentwicklung darstellen.EB-PBF basiert auf einem Pulverbett aus sphärischen (Metall-)Pulverpartikeln, welches ohne Bindemittel schichtweise unter Vakuum mittels Elektronenstrahl umgeschmolzen wird. Jede Pulverschicht wird vorgewärmt und vorgesintert. Die Wärmeverteilung im Pulverbett wird hierdurch verbessert, sodass die Temperaturgradienten im Bauteil gering sind, was Verzug und Rissneigung minimiert. Die erreichbare Vorwärmung ist nur durch die Strahlleistung limitiert und sehr hoch, wodurch EB-PBF einen großen Vorteil gegenüber anderen AM-Verfahren, bspw. in der Verarbeitung von intermetallischen und schwer schweißbaren Hochtemperatur-Legierungen und Magnetwerkstoffen aufweist. Einen weiteren Schwerpunkt stellt die Werkstoffentwicklung mit selbst hergestellten Nanoadditiven dar, die elektrostatisch an der Oberfläche des Matrixpulvers haften. Durch die strömungsfreie Prozessführung im Vakuum wird im EB-PBF Agglomeration feiner Partikel reduziert, sodass das konsolidierte Material eine größere Homogenität aufweist. Gleichzeitig ist die Entwicklung von Simulationsmodellen durch das Ausklammern des Einflussfaktors Schutzgasströmung wesentlich vereinfacht. Für den Einsatz loser Pulvermischungen aus mehreren Komponenten (Powder Blends) ist EB-PBF ebenfalls vorteilhaft. Elektronenstrahlung wird bspw. von Cu und Al deutlich besser absorbiert als Laserstrahlung (typischerweise im Wellenlängenbereich λ = 1063-1090 nm), sodass ein breiteres Elementspektrum verarbeitet werden kann.Durch Ergänzung um EB-PBF soll die grundlegende Erforschung und Entwicklung neuer Werkstoffe unter komparativer Betrachtung alternativer AM-Verfahren von Pulvermetallurgie, Prozess- und Bauteildesign bis zur Materialcharakterisierung ermöglicht und damit eine signifikante Erweiterung des Werkstoffspektrums für AM sowie Vertiefung des Verständnisses der thermophysikalischen Phänomene während des AM erzielt werden. Das beantragte Gerät EB-PBF nimmt damit eine Schlüsselstellung für das materialwissenschaftliche, fertigungstechnische und physikalische Forschungsspektrum der beteiligten Lehrstühle ein.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Electron Beam Powder Bed Fusion Anlage
• Gerätegruppe: 2110 Formen-, Modellherstellung und gießereitechnische Maschinen
• Antragstellende Institution: Bergische Universität Wuppertal
• Leiter: Professor Dr. Bilal Gökce