Defektgröße und Bruchfestigkeit in generativer Fertigung mittels Kaltgasspritzens

• Antragsteller: Dr. Frank Gärtner; Professor Dr.-Ing. Thomas Klassen
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448318292

Kaltgasspritzen gewinnt derzeit zunehmende Aufmerksamkeit als generatives Fertigungsverfahren oder Reparaturtechnik für strukturelle Bauteile. Kriterien für Anwendungen in Automobilbau oder Luftfahrt erfordern dabei tieferes Detailwissen zu Qualitätsvoraussage und –kontrolle. Beim Kaltgasspritzen erfolgt Materialauftrag im festen Zustand durch extrem starke plastische Verformung unter dem Hochgeschwindigkeitsaufprall von Pulverpartikeln. Aufgetragenes Material kann hochgradig verfestigt sein, mit inhomogener Dehnungsverteilung und Mikrostruktur, und weist immer einen gewissen Anteil nicht gebundener, interner Grenzflächen auf. Letztere können durch geeignete Auswahl der Spritzparameter minimiert werden. Mechanismen zum Schichtaufbau sind gut verstanden, beinhalten bis dato jedoch keine Beschreibung zur Rolle von Defektgrößen oder lokaler Zähigkeit auf die Bruchfestigkeit von entsprechend generativ gefertigten Teilen.Im gemeinschaftlichen Ansatz der Antragsteller aus umfassenden experimentellen und Simulationskonzepten sollen neue Strategien entwickelt werden, um lokale Zähigkeit, Spannungen und mögliches Risswachstum zu beschreiben. Daraus sollen Modelle abgeleitet werden, mit denen die Eigenschaften des aufgetragenen Materials systematisch maßgeschneidert werden können. Die Wahl der Modellsysteme Al, Ni und Ti soll dabei Materialen mit unterschiedlichen Eigenschaften abdecken. Unterschiedliche Defektarten werden teils durch gezielte Oxidation eingestellt. Die Beschaffenheit des aufgetragenen Materials wird dabei auf gleiche Anteile gebundener Grenzflächen abgestimmt. Unterschiede in Folge verwendeter Pulvergrößen sollen nur die Defektgröße betreffen. Experimente und Simulationen zu Eigenschaften nach thermischer Nachbehandlung sollen zusätzliche Informationen zum Einfluss lokal eingestellter Duktilität als auch zusätzlich verbesserter Grenzflächenbindung liefern. Experimentell ermittelte Festigkeiten, Zähigkeiten, detaillierte Mikrostruktur- und Brauchanalyen dienen zur Bestimmung und Unterscheidung der Zusammenhänge zwischen Pulvergrößen, Risslängen und Oxidrückständen. In parallelen Mehrskalensimulation wird das Bruchverhalten modelliert. Die Simulationen liefern Dehnungsverteilungen von Einzelaufprallereignissen, mit denen Belastungsmodelle für Einzelpartikel, und Bruchmodelle für aufgebautes Material entwickelt werden. Experimentelle Daten zu Einzelpartikeln und Schichten dienen dem Abgleich und der Validierung von Korrelationsfunktionen zwischen den verschiedenen Modellen. Die Kombination aus Experimenten und Simulationen soll dabei wesentliche Erkenntnisse für ein umfassendes Verständnis zu Risswachstum und Schichtfestigkeit beschreiben. Entwickelte Strategien zu Pulverdesign und Prozessparametern leisten einen Beitrag zur systematischen Prognose, um zu Massivmaterial vergleichbare Eigenschaften einzustellen. Verallgemeinerte Konzepte sollten auch auf andere, pulverbasierter, generative Fertigungsverfahren übertragbar sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Wenya Li