Pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen (PBF-LB) zur Herstellung maßgeschneiderter Gefüge im Vergütungsstahl 42CrMo4

• Antragsteller: Dr.-Ing. Stefan Dietrich
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516837935

Vergütungsstühle bilden einen signifikanten Anteil der weltweiten, jährlichen Stahlproduktion (16-18 %) und finden sich heute in vielen Komponenten des Automobil-, Flugzeug- und Maschinenbaus, wie etwa Wellen, Zahnrädern und anderen höherfesten Konstruktionsteilen wieder. Dennoch ist die Herstellung von optimierten Bauteilen aus Vergütungsstählen mittels additiver Fertigungsmethoden (z. B. laserstrahlbasierte Pulverbettverfahren - PBF-LB) und die Erforschung daraus resultierender Werkstoff- und Bauteilzustände wenig fortgeschritten. Die Gründe hierfür sind vor allem in Schwierigkeiten in der Konsolidierung aus dem Metallpulver durch den Laserbelichtungsprozess zu finden. Vergütungsstähle gelten allgemein auf Grund der höheren Kohlenstoffgehalte als schwer schweißbar. Auch beim PBF-LB Verfahren kommt es, ähnlich wie im Mikroschweißen, aufgrund der lokalen Energieeinbringung und der damit einhergehenden Selbstabschreckung zu hohen Abkühlraten in der Schweißnaht und Wärmeeinflusszone. Die durch die Abkühlraten induzierten thermischen und umwandlungsbedingten Dehnungen führen dabei zu einem starken Bauteilverzug. Durch die martensitische Umwandlung in der Schweißzone wird zudem die Rissbildungswahrscheinlichkeit erhöht. Durch die Verwendung einer Bauplattenheizung kann die Rissbildungswahrscheinlichkeit zwar während des Prozesses gesenkt werden. Die mechanischen Eigenschaften entsprechen im ”as-built“-Zustand aber dennoch meist nicht den technischen Vorgaben aus der Anwendung. Zusätzlich ist die aufgrund dessen nachgeschaltete Wärmebehandlung zeit- und kostenintensiv. Der Kern des Projektes besteht deshalb darin, die im PBF-LB Prozess auftretenden intrinsischen Umwandlungs- und Anlasseffekte zu kontrollieren und gezielt zur Integration der konventionellen und sonst nachgeschalteten Wärmebehandlung direkt im PBF-LB Prozess zu nutzen. Neben der mikrostrukturellen und mechanischen Charakterisierung soll in dem vorliegenden Forschungsantrag mit einer phasenspezifischen thermisch-mechanischen FE-Simulation der Einfluss neuartiger Belichtungsstrategien hinsichtlich einer beanspruchungsgerechten, in den Prozess integrierten und lokalen Wärmebehandlung untersucht werden. Zur Validierung der Simulation ist zudem eine In-Situ Charakterisierung des Prozesses am Synchrotron vorgesehen. Auf diese Weise wird eine wichtige Forschungslücke im Bereich der additiven Fertigung von Vergütungsstählen geschlossen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Martin Heilmaier; Professor Dr.-Ing. Volker Schulze