Grundlagenuntersuchung zum Pulversmoke-Phänomen beim selektiven Elektronenstrahlschmelzen

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Carolin Körner, seit 1/2023
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448758899

Selektives Elektronenstrahlschmelzen (SEBM) ist eine der erfolgversprechendsten additiven Fertigungstechnologien für die Herstellung von Hochleistungswerkstoffen aufgrund der schnellen Kontrolle der Strahlposition, der hohen Strahlleistung und Energieabsorption sowie der geringeren Kontaminations- und Oxidationsgefahr durch das Vakuum. Das sogenannte Smoke-Phänomen, das zu einem plötzlichen und unkontrollierten Verspritzen der Pulverpartikel in der gesamten Maschine führt, schränkt jedoch die Weiterentwicklung von SEBM verschiedener Materialien ein. Bisher beruhen sich die Methoden zur Vermeidung des Pulver-Smokes hauptsächlich auf der Trial-and-Error-Optimierung und empirischen Regeln. Um das Potential von SEBM auszuschöpfen, ist ein grundlegendes Verständnis des Mechanismus vom Smoke erforderlich. Durch experimentelle Beobachtungen an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und an der TsingHua-Universität (THU) stellt sich eine neuartige Hypothese: das Pulver-Smoke wird zunächst bereits bei relativ tiefen Temperaturen durch Gasverdampfung unter Vakuum ausgelöst; anschließend findet ein Lawineneffekt statt, der durch elektrostatische Aufladung des Pulverbetts während SEBM verursacht wird. Der Forschungsschwerpunkt an der FAU liegt auf der Untersuchung der Auswirkungen der Gasverdampfung, während die THU den Einfluss der Pulverbettaufladung bei SEBM untersuchen soll.Ziele des Forschungsvorhabens sind die in situ Beobachtung der Entwicklung des gesamten Smoke-Prozesses und der Aufbau eines physikalischen Modells zur Erklärung des Pulver-Smokes sowie zur Verhinderung des Smokes bei SEBM. Erstens sollen ein Fernfeld- und ein Nahfeld-ELektron-Optische (ELO) Beobachtungssystem sowie andere verschiedene Prozessüberwachungsgeräte für die in situ Beobachtung des Smokes an der FAU und der THU entwickelt und verwendet werden. Zweitens wird der Einfluss von Pulvereigenschaften (an der FAU) und Prozessparametern (an der THU) untersucht, um die wichtigsten Faktoren, die zum Smoke führen, festzulegen. Drittens soll ein physikalisches Modell unter der Berücksichtigung der Gasverdampfung (an der FAU) und der elektrostatischen Aufladung des Pulverbetts (an der THU) entwickelt werden. Schließlich werden optimierte Scanstrategien und Pulver mit angepassten Eigenschaften verwendet, um die Stabilität des SEBM-Prozesses zu erhöhen, und den Einsatz von feineren Pulvern zu ermöglichen. Darüber hinaus wird durch das Analysieren von ELO-Signalen ein Echtzeit-Signalverarbeitungssystem entwickelt, damit der SEBM-Prozess in der frühsten Smoke-Phase rechtzeitig unterbrochen werden kann, bevor der Lawineneffekt (das katastrophale Smoke) stattfindet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Feng Lin, Ph.D.
• Ehemaliger Antragsteller: Dr.-Ing. Zongwen Fu, bis 12/2022