Additiv hergestellte Gitterstrukturen aus metallischen Massivglas als fortschrittliche Metamaterialien: Erforschung von prozesstechnischen- und geometrischen Implikationen auf die mechanischen Eigenschaften

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jan Wegner
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 558567065

Das Vorhaben adressiert die Untersuchung der fertigungstechnischen Implikationen bei der Herstellung von Gitterstrukturen aus metallischen Massivgläsern in der additiven Fertigung. Metallische Massivgläser (bzw. amorphe Metalle) weisen herausragende mechanische Eigenschaften mit hohen Festigkeiten und hoher Elastizität auf, was sie für hochbeanspruchte strukturelle Anwendungen interessant macht. Allerdings erfordert die Fertigung eine schnelle Abkühlung der flüssigen Schmelze, um eine Kristallisation zu unterdrücken und die amorphe Erstarrung zu ermöglichen. In klassischen Herstellungsverfahren wie dem Melt-Spinning oder Gießen reduziert das die herstellbare Größe auf wenige Millimeter. Die additive Fertigung mittels "Laser Powder Bed Fusion"-Verfahren (PBF-LB/M) umgeht diese Restriktionen durch sukzessive Materialzugabe bei gleichzeitig hohen Abkühlraten. Allerdings weisen additiv gefertigte metallische Massivgläser, unter anderem aufgrund der vergleichsweise hohen Sauerstoffkontamination, in der Regel keine Duktilität auf. Die Mechanismen der Versprödung sind jedoch noch nicht vollständig ergründet. Gitterstrukturen eröffnen das Potenzial, durch Skaleneffekte (kleinere metallische Gläser weisen mehr Duktilität auf als größere Strukturen) und lagenweises Versagen eine Plastizität in PBF-LB/M-BMGs zu ermöglichen. Allerdings beeinflussen die geometrischen Implikationen von Gitterstrukturen die thermische Historie und führen zu einem hohen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis mit vergleichsweise hoher Oberflächenrauheit. Ob ein Skaleneffekt aus dem Guss auf PBF-LB/M-BMGs übertragbar ist und welchen Einfluss die geometrischen Rahmenbedingungen auf die Vitrifikation haben, ist bisher unerforscht. Dazu soll in einem hierarchischen Ansatz die thermische Historie, die mechanischen Eigenschaften und die mikrostrukturelle Beschaffenheit von einzelnen Streben bis hin zu Gitterzellen untersucht werden. Die kleinteilige Analyse ermöglicht es dabei auch, Rückschlüsse auf grundlegende Mechanismen der Versprödung zu ziehen. Das Vorhaben beinhaltet damit drei wesentliche Ziele: 1. Untersuchung des Skaleneffekts in additiv gefertigten metallischen Gläsern 2. Einfluss der Strebenorientierung auf die Wärmeabfuhr und Vitrifikation 3. Analyse der geometrischen Einflüsse in Gitterzellen auf die resultierenden Spannungszustände und Versagensmechanismen im Kontext der implizierten thermischen Historie

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Stefan Kleszczynski