Adaptive Pulverzufuhr für additive Fertigungsprozesse

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rodion Groll; Dr.-Ing. Thomas Seefeld, seit 10/2021
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424886092

Ein essentieller Spielraum bei der Kosteneinsparung additiver Fertigungsprozesse liegt in der effizienten und sparsamen Nutzung additiver Materialien. Am Beispiel des Laser-Pulver- Auftragschweißen entspricht dies der präzise dosierten Nutzung des zu verwendenden Pulvers. Im Rahmen des hier vorgestellten Vorhabens werden verschiedene Konzepte sowohl experimentell als auch numerisch untersucht, um eine unkontrollierte Diffusion des eingebrachten Pulvers zu vermeiden und eine effektive Nutzung dieses additiven Werkstoffs zu gewährleisten. Mit dem Ziel, die zugrundeliegende Materialeffizienz und die Qualität der Schweißnaht vorherzusagen, wird der Schweißprozess in unterschiedlichen Düsenkonfigurationen inklusive des thermischen Eintrags des Laserstrahls sowohl experimentell als auch numerisch untersucht.Für die effektivere Ausnutzung des Pulverwerkstoffs wird eine adaptive Pulverzufuhr entwickelt. Diese ermöglicht es die Größe des Pulverspotdurchmessers an die Größe des Laserspotdurchmessers anzupassen. Hierfür werden drei Einzeldüsen koaxial zum Laserstrahl am Bearbeitungskopf angebracht, deren Abstand zur Substratoberfläche und Anstellwinkel variabel eingestellt werden können. Die adaptive Düsenpositionierung beeinflusst neben dem Pulverspotdurchmesser unter anderem auch die Wechselwirkungsdauer zwischen den einzelnen Partikeln im Pulverstrom und der Laserstrahlung. Sowohl eine zu lange als auch eine zu kurze Wechselwirkung können den Pulvernutzungsgrad oder die Schweißraupenqualität negativ beeinflussen. Ziel ist es daher, die relevanten Einflussgrößen auf die Pulverspotgröße und Wechselwirkungsdauer für schmale und breite Einzelspuren zu ermitteln und die gewonnenen Erkenntnisse auf mehrlagige Strukturen zu übertragen.Begleitend zur experimentellen Untersuchung, werden auf Basis einer Euler/Lagrange-Beschreibung die Bewegung der Pulverpartikel sowie die der umgebenden Luft als Trägerphase numerisch modelliert. Die Partikel/Wand-Interaktion innerhalb der Düse sowie großskalige turbulente Strukturen im Nachlauf des Düsenaustritts haben einen wesentlichen Einfluss auf die Pulverdiffusion sowie entsprechend die Materialeffizienz des zu beschreibenden Prozesses. Die Dynamik der Partikelphase wird entsprechend durch eine Particle-In-Cell-Methode (PIC) abgebildet, welche sowohl die Interaktion mit der Trägerphase als auch die Interaktion der polydispersen Partikelphase hinsichtlich wechselseitiger Partikelkollisionen berücksichtigt. Mit diesem verbesserten Konzept sollen in Kombination mit neuen Simulationsansätzen zur Beschreibung des Phasenübergangs von Festkörperpartikeln Diffusionsprozesse in turbulenten und polydispersen Mehrphasenströmungen vorhergesagt werden, um eine bessere Fokussierung des Pulverstroms von Auftragschweißvorgängen zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Vollertsen, bis 9/2021