Untersuchung der Laserstrahl-Pulver-Interaktion bei der Verwendung von Strahlformung für das Laserpulverauftragschweißen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Dominic Bartels
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 572278035

Das Laserpulverauftragschweißen (DED-LB/M, engl. Directed Energy Deposition of Metals using a Laser Beam) ist ein generatives Fertigungsverfahren, das die Herstellung endkonturnaher Bauteile ermöglicht. Dabei werden ein oder mehr pulverförmige Materialien der Prozesszone zugeführt und in dieser durch einen Hochleistungslaser aufgeschmolzen. Moderne Laserstrahlquellen ermöglichen die Verwendung angepasster Strahlprofile bzw. Intensitätsverteilungen, wodurch der Energieeintrag und somit die Temperaturfelder im Grundkörper beeinflusst werden können. Dadurch ist es beispielsweise denkbar, das Materialportfolio für das DED-LB/M um schwerschweißbare Werkstoffsysteme zu erweitern. Die Herausforderung dabei ist jedoch, dass die Interaktion des Laserstrahls mit dem pulverförmigen Zusatzmaterial zu einer ungewünschten Abänderung der am Werkstück ankommenden Intensitätsverteilung und damit der gewünschten Temperaturfelder führen kann. Ziel dieses Vorhabens ist daher die grundlegende Untersuchung der Laserstrahl-Pulver-Interaktion bei der Verwendung von Strahlformung für das DED-LB/M. Zu Beginn wird die Ausbildung der Pulverwolke abhängig von den Pulverförderparametern (Massestrom, Trägergasstrom) sowie dem verwendeten Material (Partikelgrößenverteilung, Reflektivität) untersucht. Dafür wird ein Hochgeschwindigkeitskameraaufbau genutzt. Dieser erlaubt es, die Kaustik der Pulverwolke sowie die Partikelverteilung in dieser mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu detektieren. Diese Daten dienen im weiteren Verlauf als Grundlage für die experimentellen und numerischen Analysen, anhand derer die Wechselwirkung des Strahlprofils (Geometrie, Intensitätsverteilung in diesem) mit der Pulverwolke untersucht werden. Für die experimentellen Versuche wird der Laserstrahl zugeschaltet und das am Strahlmessgerät ankommende Intensitätsprofil erfasst und mit dem Ausgangsprofil abgeglichen. Dadurch wird der abschwächende bzw. abändernde Effekt der Pulverwolke auf das Strahlprofil zunächst bei geringen Laserleistungen detektiert. Zur Beschreibung der Laserstrahl-Pulver-Interaktion wird außerdem ein Ray-Tracing-Modell implementiert, anhand dessen das am Werkstück ankommende Strahlprofil in Abhängigkeit der Pulverwolkenparameter prädiktiert werden kann. Parallel dazu erfolgt die Generierung von Strukturen sowie ein Vergleich der resultierenden Materialeigenschaften auf mikroskopischer (u. a. Gefüge und Mikrostruktur) und makroskopischer (Härte) Ebene. Parallel dazu wird aufbauend auf dem grundlegenden Verständnis über die Laserstrahl-Pulver-Interaktion ein inverses Ray-Tracing-Modell ausgearbeitet. Ziel dieses Modells ist, die abändernden Effekte der Pulverwolke zu berücksichtigen, sodass am Werkstück eine für die spätere Materialbearbeitung geforderte Intensitätsverteilung ankommt. Zum Ende des Vorhabens soll ein grundlegendes Verständnis über die Interaktion von beliebigen Strahlprofilen mit variablen Pulverwolken beim DED-LB/M vorliegen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen