Adaptive Prozessteuerung für das pulverbettbasierte Schmelzen von Metall mittels Laserstrahl zur Kompensation der Porenbildung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alexander Verl; Dr.-Ing. Martin Werz
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 517091068

Im Zuge der Individualisierung von Produkten spielt die additive Fertigung eine entscheidende Rolle, da der zeit- und kostenintensive Werkzeugbau entfällt und die direkte Herstellung komplexer Geometrien ermöglicht wird. Pulverbett-Verfahren zum Schmelzen von Metall mittels Laserstrahl (PBF-LB/M) stellen dabei eine industriell relevante und weit verbreitete Form der additiven Fertigung dar. Bei diesem Verfahren wird durch den Energieeintrag eines Lasers eine Pulverschicht aufgeschmolzen, die bei der anschließenden Erstarrung eine feste Verbindung eingeht. Dieses Vorgehen wird schichtweise wiederholt, bis ein dreidimensionales Bauteil entstanden ist. In der digitalen Prozessvorbereitung werden dazu aus einem virtuellen 3D-Modell Schichtinformationen gewonnen und eine Bahnplanung für den Laserpfad durchgeführt, um der additiven Fertigungsanlage die relevanten geometrischen Informationen eines Bauteils zur Verfügung zu stellen. Allerdings führen die komplexen Wechselwirkungen zwischen Fertigungsparametern, Pulver- und Anlageneigenschaften, Umgebungsbedingungen sowie bedienerabhängigen Einflussgrößen innerhalb des Bauprozesses zum Teil zu unvorhersehbaren Prozessergebnissen. Diese zeigen sich in Form mangelhafter Bauteileigenschaften, die die Wirtschaftlichkeit des Prozesses immens einschränken. Heute übliche Trail-and-Error-Ansätze zur Definition geeigneter Fertigungsparameter für stabile Prozessfenster schmälern den Zeitvorteil der direkten additiven Fertigung im Vergleich zu konventionellen Verfahren. Ein wesentliches Qualitätsmerkmal in der additiven Fertigung ist die Erreichung einer maximalen Materialdichte des Bauteils von bis zu 100 %, um optimale Werkstoffeigenschaften zu erzielen. Ein wesentliches Problem für die Erreichung dieses Ziels stellt jedoch die Entstehung prozessbedingter Poren und Bindefehler dar, die jeweils in unterschiedlicher Ausprägung die Bauteildichte und die statische sowie dynamische Festigkeit verschlechtern. Dabei hängen diese verschiedenen Prozessfehler zum Teil auf komplementäre Weise vom Energieeintrag im Prozess ab. Die komplexen Wechselwirkungen im Prozess und die Tatsache, dass heute verwendete Steuerungssysteme keine echtzeitfähigen Eingriffsmöglichkeiten und Schnittstellen bereitstellen führen dazu, dass eine dynamische Parameteranpassung durch heutige Maschinensteuerungen in der additiven Fertigung nicht genutzt wird. Prozessparameter, wie Laserleistung und Scangeschwindigkeit, werden daher in der Regel konstant gehalten. Um dieser Einschränkung entgegenzuwirken, ist die Erforschung hochdynamischer Steuerungs- und Regelungskonzepte unter Berücksichtigung der instationären Prozesszustände unerlässlich. Ziel des Forschungsvorhabens ist es folglich, ein selbst-adaptierendes Steuerungssystem zu entwickeln, welches in Abhängigkeit relevanter Prozess- und Messgrößen geeignete Fertigungsparameter bestimmt. Dadurch können optimale Prozesszustände gewährleistet und die resultierende Bauteilqualität gesteigert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen