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Projekt
Verbesserung des Randschichtzustands additiv gefertigter TiAl6V4-Tragwerkstrukturen aus dem pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen
Antragsteller
Dr.-Ing. Stefan Dietrich
Fachliche Zuordnung
Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
Förderung
Förderung von 2020 bis 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450594630
Pulverbettbasiertes Laserschmelzen (Abk. LPBF) ist ein additives Fertigungsverfahren bei dem durch inkrementelles Auftragen und Aufschmelzen von Pulverschichten endkonturnahe, metallische Strukturbauteile erzeugt werden. Solche additiv gefertigten Bauteile zeigen eine deutliche Oberflächenstrukturierung welche hohe Rauheiten und starke Kerbwirkungen aufweist. Diese sind vor allem bei zyklischer Belastung Grund für ein vorzeitiges Material- bzw. Bauteilversagen. Darüber hinaus zeigen sich je nach Fertigungsstrategie hohe Randporositäten und randnahe Zugeigenspannungen, welche zu einer Reduktion der Lebensdauer durch ihre rissinitiierende Wirkung führen. In der Prozesskette versucht man diesen Nachteilen durch eine geschickte Oberflächennachbearbeitung mittels Polier- oder Strahlverfahren entgegenzuwirken. Bis heute wurde jedoch keine genaue Untersuchung der Auswirkungen von Strahlparametern (Druck, Einfallswinkel, Strahlmittel) auf die sich einstellenden Werkstoffcharakteristika, wie beispielsweise Rauheit oder mögliche Randschichtverdichtung, durchgeführt. Darüber hinaus stellt auch die Wechselwirkung der im Schmelzprozess eingebrachten Eigenspannungen mit den über das Oberflächenbehandlungsverfahren eingebrachten Druckeigenspannungen einen wichtigen Aspekt dar, welcher berücksichtigt werden muss. Technologisch stellt auch die Bearbeitbarkeit komplexester Bauteilgeometrien (Kavitäten, Tragwerkstrukturen) hohe Herausforderungen an die Nachbearbeitung, da die aufbaubedingten, anisotropen Eigenschaften mit in die Bearbeitungsstrategie einbezogen werden müssen. Solche Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen wurden bisher kaum systematisch untersucht und lassen damit auch die möglichen Potentiale bezüglich Oberflächenzustand und Eigenspannungszustand und somit der Einsatzfähigkeit unter vor allem zyklischer mechanischer Belastung offen. Ziel dieses Projektes ist es daher, basierend auf mechanischer Oberflächenbearbeitung durch Kugel-, Mikro- und Ultraschallstrahlen eine Steigerung der mechanischen Belastbarkeit durch das Einbringen von Druckeigenspannungen, die Reduktion der Oberflächenrauheit sowie das Schließen oberflächennaher Poren zu erreichen, ohne dabei auf chemische Prozesse zurückgreifen zu müssen. Dabei steht schlussendlich der Einfluss dieser Werkstoff- und Topographiegrößen auf die zyklische Belastbarkeit im Vordergrund. Hier ist die Übertragbarkeit der Mechanismen und Methoden konventionell gefertigter Werkstoffe und mögliche Wechselwirkung mit den im LPBF eingestellten Eigenschaften (ES, Gefüge, Porosität und Rauheit) zu klären. Als Werkstoff hierfür soll beispielhaft die Titanlegierung Ti-Al6-V4, welche hinsichtlich ihrer Verarbeitbarkeit im LPBF Verfahren bereits umfassend untersucht wurde, eingesetzt werden. Damit wird auch gleichzeitig ein anwendungsnaher Einsatz in der Luft- und Raumfahrt bzw. Medizintechnik mit entsprechend bekannten Anforderungen an Randschichtzustand und mechanische Belastbarkeit als Referenzzustand nutzbar.
DFG-Verfahren
Sachbeihilfen
