Beeinflussung der Mikrostruktur von Aluminiumlegierungen beim pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen in Prozessregimen höchster Auftragsraten bei mehreren kW Laserleistung

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Graf; Professor Dr.-Ing. Stefan Weihe
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Fügetechnik und Trenntechnik ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398552773

Die Legierungs- und Prozesseinflüsse auf die Erstarrung und Gefügeausbildung beim Laserstrahlschweißen von Aluminium wurden im Rahmen des vorangegangenen Projekts empirisch untersucht und theoretisch beschrieben sowie experimentell verifiziert. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse ist es möglich, die Prozessparameter und Legierung gezielt zu beeinflussen, um über das resultierende Gefüge den Heißrisswiderstand, die Zugfestigkeit oder den Kriechwiderstand zu erhöhen. Der Prozess des selektiven Laserschmelzens im Pulverbett ("Laser Powder Bed Fusion", LPBF) ist mit dem Laserstrahlschweißen in vielen Aspekten verwandt. Anders als beim Schweißen füllt das beim LPBF-Verfahren während der Erstarrung geprägte Gefüge allerdings das gesamte Bauteil aus, weshalb eine gezielte Beeinflussung des Gefüges umso wichtiger ist. Wie im Gutachten des Vorgängerprojektes empfohlen, soll mit diesem Projekt deshalb an die Forschungsergebnisse zum Schweißen angeknüpft und diese auf die beim LPBF vorherrschenden Randbedingungen und die dabei entstehende Mikrostruktur übertragen werden. Ziel des Projekts ist es, in Prozessregimen höchster Auftragsraten die Prozess-, Umgebungs- und Legierungseinflüsse auf den Übergang von gerichtetem zu äquiaxialem Kornwachstum, auf die Korngröße und auf die Dendritenarmabstände zu bestimmen und gezielt zu steuern. Dies soll beispielhaft unter Verwendung der konventionellen LPBF-Legierung ALSi10Mg, einer aushärtbaren Legierung (EN AW-6016) und einer naturharten Legierung (EN AW-5083) umgesetzt werden. Um gegenüber dem Stand der Technik signifikant gesteigerte Aufbauraten zu erreichen, sollen wesentlich höhere Laser-Leistungen zum Einsatz kommen (MPA bis zu 2 kW, IFSW bis zu 16 kW), als sie aktuell industriell umgesetzt werden können. Auf Basis der Erkenntnisse aus dem vorangegangenen Projekt und dem Stand der Forschung wird schrittweise das Verständnis über den LPBF Prozesses vertieft und die Modelle zur Beschreibung der Kornstruktur erweitert: i) innerhalb einer Einzelspur, ii) innerhalb einer Ebene und iii) über mehreren Schichten. Durch diese verschiedenen Skalen erhöht sich die Komplexität der zu betrachtenden Zusammenhänge und auch die Komplexität der zur Gewinnung eines vertieften Prozessverständnisses notwendigen Simulationsmethoden. Im Vordergrund stehen jeweils die sich während des Prozesses ändernden Erstarrungsgrößen: i) durch transiente Anfangs- und Endbereiche innerhalb einer Einzelspur, ii) durch Wärmeakkumulation innerhalb einer Ebene, iii) durch zunehmenden Abstand zur vorgeheizten Bauplatte und durch Wärmeakkumulation über mehrere Schichten. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden abschließend Strategien zur Steuerung der Kornstruktur durch eine geeignete Wahl der Prozessparameter und Legierungszusammensetzung abgeleitet. Das Projekt soll somit dazu betragen die hohe Gestaltungsfreiheit beim LPBF zu erweitern und zusätzliche Flexibilität sowie die potenzielle Erschließung neuer Anwendungsfelder ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen