Erweiterung des Prozessverständnisses beim Laserstrahlschmelzen durch experimentelle und numerische Analyse aller wesentlichen Wirkmechanismen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Nikolaus Andreas Adams; Professor Dr.-Ing. Michael Friedrich Zäh
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387081806

Ziel des vorgeschlagenen Forschungsprojektes ist die Erhöhung des Prozessverständnisses für additive Fertigungsverfahren, welche metallische Materialien in Pulverform mittels Laserstrahlung aufschmelzen. Durch die geplanten Untersuchungen soll u.a. das Abkühlverhalten der Schmelze charakterisiert sowie der Einfluss der Verdampfung auf Bauteilqualität, Prozessführung und auf die Porenbildung bestimmt werden. Auch die Ausprägung thermisch induzierter Eigenspannungen in unmittelbarer Umgebung zur Wärmeeinflusszone soll beleuchtet werden. Kernthema des Forschungsvorhabens wird die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen einerseits den gewählten Prozessparametern (Laserleistung, Scangeschwindigkeit), den Ausgangsmaterialien (Wärmeleitfähigkeit, Phasenumwandlungsenthalpien, Pulverkörnung und -form etc.) und andererseits den fluid- und thermodynamischen Effekten im Schmelzbad (Konvektion, Marangonieffekt, Verdampfung, Grenzflächenform und Laserreflexionen) sein. Durch diese Erweiterung der Wissensbasis soll die Grundlage für eine stabilere Prozessführung geschaffen und ebenso ein Beitrag zur Reduktion von Ausschuss, Testfertigungen und für die zur Materialqualifizierung erforderlichen Parameterstudien geleistet werden. Zunächst soll im Rahmen einer Prozessanalyse eine Abschätzung des Einflusses der möglichen Prozessparameter auf die Prozessstabilität vorgenommen werden. In den folgenden Projektphasen werden sowohl durch Experimente als auch numerische Simulationen die Wechselwirkungsmechanismen detaillierter untersucht und auch quantitativ bewertet. Als Simulationswerkzeug für Strahlschmelzprozesse soll erstmalig das Smoothed-Particle Hydrodynamics Verfahren (SPH) verwendet werden. Das SPH-Verfahren beschreibt sowohl Fluide als auch Festkörper mittels Lagrangescher Partikel, welche Eigenschaften entsprechend des jeweiligen Mediums aufweisen. Lokale makroskopische Größen, wie z. Bsp. Temperaturen, werden durch Mittelungsoperationen über eine Vielzahl von Partikeln bestimmt. Ausgehend vom Stand der Technik und eigenen Vorarbeiten können mit der SPH-Methode erhebliche Vorteile bzgl. einer effizienten Beschreibung multipler Phasenumwandlungen und komplexer Pulverbetten erwartet werden. Die numerischen Berechnungen werden durch geeignete experimentelle Methoden validiert und ergänzt. Um transiente Vorgänge beim Laserstrahlschmelzen mit einer angemessenen zeitlichen Auflösung aufzuzeichnen, sind geeignete Messmethoden zu identifizieren, an die Problemstellung anzupassen und anzuwenden. So stellen Aufnahmen des sich rasch ändernden Schmelzbades sowie der durch das expandierende Schutzgas und ggfs. durch Verdampfung verursachten Bewegung im Pulverbett mit Hochgeschwindigkeitskameras Arbeitspakete dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen