Gerät für laserbasiertes Pulverbettschmelzen für die Additive Fertigung

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft
• Förderung: Förderung von 2022 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 513459481

Die Additive Fertigung (AF) von magnetischen Funktionsmaterialien (FM) steckt noch in den Kinderschuhen. Hierfür gibt es im Wesentlichen drei Gründe: (a) die Funktionalität hängt von der Beherrschbarkeit der Grenzflächen, Struktur, Defekte und Chemie auf der Nanoskala im Volumen oder im gedruckten Teil ab und umfasst den Transfer der intrinsischen und zu den extrinsischen magnetischen Eigenschaften, (b) die Verfügbarkeit geeigneter Pulverpräkursoren und (c) von AF Systemen mit Prozessbedingungen adaptiert für FM.Wir beantragen ein Gerät für laserbasiertes Pulverbettschmelzen (L-PBF) mit adaptivem Bauraumsystem und Atmosphärenregelung, das kleinste Sauerstoffanteile (< 25 ppm), eine Bauraumvolumenreduktion zur Verwendung einiger 100 Gramm an Pulver und mittels eines Heizsystems Temperaturen bis 1200°C ermöglicht. Dies eröffnet grundlegende Erkenntnisse in der Metallpulver-Laserbearbeitung von (volldichten magnetischen) Funktionsmaterialien wie Hochleistungs-Permanentmagneten.Ziel ist die Anfertigung gedruckter Teile mit spezifischer chemischer Zusammensetzung, bei denen physikalische Eigenschaften, z.B. magnetische Streufelder oder elektrische und thermische Leitfähigkeit, geometrisch gestaltet werden. Das beantragte System ermöglicht die Verwendung von im Labormaßstab hergestellten Metallpulvern für Standardtest- und Qualifizierungsverfahren. Das von uns entwickelte Bewertungsverfahren für kleine Pulvermengen um die 100 Gramm mit nicht-sphärischen Partikeln und breiter Partikelgrößenverteilung erlaubt ein wissenschaftliches Materialscreening zu vertretbaren Kosten. Zum Testen unterschiedlicher Pulver wird ein flexibles System für einen schnellen Pulverwechsel benötigt. Außerdem ist ein Siebsystem zur Abtrennung der Feinpartikelfraktion vom für den L-PBF-Prozess verwendeten Pulver erforderlich. Für die Verarbeitung unterschiedlicher Pulver ist ein externes Siebsystem für eine leichte Zugänglichkeit und Reinigung vorzuziehen.Sehr wichtig sind die Möglichkeiten der Prozessüberwachung (Melt Pool Management) und deren direkte Einbeziehung in den rekursiven Materialdesignprozess. Konkret müssen thermische Schwankungen (via Pyrometer) und das Schmelzverhaltens (via CMOS-Hochgeschwindigkeitskamera) zu einer Bewertung des Druckvorgangs überwacht werden. Der Leistungseintrag wird über die Laserparameter reguliert. Kombiniert mit der Pulverbetttemperatur eröffnet dies einen neuen Parameterraum für die meist schwierig zu druckenden Materialien, indem die Rissbildung in den oft spröden intermetallischen Verbindungen reduziert wird.Zusammengefasst bietet das beantragte Gerät die Möglichkeit zur Überwachung und Bewertung des komplexen Schmelzverhaltens von Funktionsmaterialien. Die zügige, weitreichende Anpassung der Laserparameter und des Bauraumvolumens an neue Materialpulver ist essentiell für die systematische Forschung zu ressourcenkritischen Materialien und verbessert die Zusammenarbeit zwischen den Partnern aus Materialwissenschaft und Maschinenbau.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Maschine zur Laser-Pulverbett-Fusion für die additive Fertigung
• Gerätegruppe: 5740 Laser in der Fertigung
• Antragstellende Institution: Technische Universität Darmstadt
• Leiter: Professor Dr. Oliver Gutfleisch