Entwicklung von oberflächenangepassten Metallpulvern zur Steigerung der Produktionseffizienz beim additiven, pulverbettbasierten Schmelzen von Metallen mit dem Laser

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Arno Kwade; Professor Dr. Jan T. Sehrt
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mechanische Verfahrenstechnik ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410107213

Die additive Fertigungstechnologie pulverbettbasiertes Schmelzen von Metall mittels laserbasiertem System (PBF-LB/M) ist häufig mit einer hohen Fertigungsdauer konfrontiert. Für eine effizientere Prozessführung sollen kommerzielle Werkstoffe für den PBF-LB/M maßgeschneidert werden. Hinsichtlich der Belichtung wird die Prozessgeschwindigkeit durch das Verhältnis von Laserleistung, Spurabstand, Belichtungsgeschwindigkeit und Schichtdicke beschrieben. Von großem Interesse ist daher einerseits die Beeinflussung der Absorption, der Benetzbarkeit und der Wärmeleitfähigkeit des Pulvers, und andererseits die Verbesserung der Fließfähigkeit zur Beschleunigung des Pulverauftrags. Das übergeordnete Ziel des Forschungsprojekts ist daher die Erforschung eines grundlegenden Material- und Prozessverständnisses über die Wirkung von Oberflächenfunktionalisierungen kommerziell erhältlicher Ausgangsmaterialien und deren Einfluss auf die Interpartikel- und Laser-Material-Wechselwirkungen. Zur Vertiefung der Aktivitäten aus der ersten Förderperiode des SPP 2122 werden die Metallpulver (Edelstahl 1.4404 und Werkzeugstahl 1.2709) zur Untersuchung fortlaufend betrachtet. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen, Vorarbeiten und der Literaturrecherche werden drei nanoskalige Additive für die Anpassung der Partikeloberfläche verwendet: Siliziumkarbid und Graphen (bereits ermittelte erhöhte Prozesseffizienz und verbesserte mechanische Eigenschaften), Silizium (Erhöhung der Benetzbarkeit der Schmelze; Glättung der Schmelzoberfläche) und Siliziumnitrid (Erhöhung der Festigkeit). Darüber hinaus werden die Partikel der beiden Ausgangsmetallpulver mechanisch und chemisch behandelt, um die spezifische Oberfläche und die Partikelrauigkeit zu erhöhen und damit die Fließeigenschaften und das Absorptionsverhalten zu verbessern. Die kommerziell erhältlichen, mikrometergroßen Additive werden in Rührwerkskugelmühlen zerkleinert (unterer Nanometerbereich) und in einem nassen Wirbelschichtprozess aufgetragen. In trockenen Intensivmischprozessen werden trockene, kommerziell erhältliche Nanopartikel auf die Metallpartikel aufgebracht. Die Beschichtungsmethoden werden u. a. bezüglich Agglomerationsgrad und Homogenität der Beschichtungen sowie der Verarbeitungseigenschaften verglichen. Neben den Materialkombinationen werden Partikelgrößen und Beladungen der Additive systematisch betrachtet. Zum Einsatz kommen etablierte Messsysteme zur Charakterisierung von Absorption, Benetzbarkeit, Fließfähigkeit sowie in-situ Applikationen zur Erzeugung von µCT-Aufnahmen einer Pulverschüttung, Hochgeschwindigkeitsaufnahmen des Pulverauftrags und des Schmelzverhaltens sowie 3D-Darstellungen des Pulverbetts. Die aus den funktionalisierten Pulvern hergestellten Probenstücke werden bezüglich der Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften charakterisiert. Die Übertragung der Daten in zwei Simulationsmodelle des Pulverauftrags und der Schmelzbaddynamik der Materialkombinationen runden das Projekt ab.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2122: Neue Materialien für die laserbasierte additive Fertigung
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Harald Zetzener