Methodenentwicklung und Validierung der optischen In-situ-Emissionsspektroskopie während des Pulverbett-Laserstrahlschmelzens zur 3D-Rekonstruktion der chemischen Zusammensetzung additiv gefertigter Metallbauteile (T01#)

• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405553726

Das Verständnis der Elementverteilung in den durch additive Fertigung erzeugten Metall-Bauteilen ist grundlegend und für fast alle Anwendungen unerlässlich. Angesichts der häufig kundenspezifischen Natur von AM-Prozessen ist es zwingend erforderlich, die additiven Fertigungsverfahren zu dokumentieren, mit besonderem Schwerpunkt auf der Analyse und Dokumentation der lokal aufgelösten Materialzusammensetzung, um eine effektive Rückverfolgbarkeit und Qualitätskontrolle der Produktion zu ermöglichen. Die Verfolgung der chemischen Zusammensetzung während des Pulverbettschmelzens von Metallen mit einem Laserstrahl (PBF-LB/M) und die 3D-Zusammensetzungsrekonstruktion sind entscheidend, um die Änderungen der Zusammensetzung mit der Strukturbildung zu korrelieren und eine hochwertige Kontrollmöglichkeit der gefertigten Teile zu generieren. Hier können spektroskopische In-situ-Messungen mittels optischer Emissionsspektroskopie (OES) zur Verfolgung der Zusammensetzung und zur Qualitätsdokumentation des Prozessverhaltens und damit zu einem besseren Verständnis des Werkstoffverhaltens beitragen. Solche fortschrittlichen In-situ-Techniken für PBF-LB/M sind jedoch derzeit nicht verfügbar. Ein grundlegendes Verständnis des Materialverhaltens, der Prozessbedingungen, der Reproduzierbarkeit und damit der Eigenschaften der gefertigten Teile erfordert die Entwicklung und Validierung einer PBF-LB/M-integrierten OES-Methode. Dies soll durch die Zusammenarbeit von Materialwissenschaftlern des Universitätspartners (UDE) in synergetischer Kombination mit dem Anwendungspartner (Aconity) mit Expertise in der Maschinenentwicklung und der Integration von Maschinenkomponenten erreicht werden. Ziel dieses Wissenstransferprojektes ist daher die gemeinsame Entwicklung einer In-situ-Analysemethode, die die Zusammensetzung eines PBF-LB/M-gefertigten Bauteils in den drei Baudimensionen analysiert. Mit einer hohen Anwendungsrelevanz wird sich T1 an strukturellen (Scalmalloy) und funktionalen (NdFeB) Werkstoffen orientieren, die als Modellwerkstoffe geeignet sind. Übergeordnetes Ziel ist die Entwicklung eines Verfahrens, das die maschinenintegrierte Erfassung qualitätskontrollrelevanter Informationen in fünf Dimensionen (Raum (x,y,z), Element-Emissionswellenlänge- und Intensität) und damit die 3-D-Rekonstruktion der Zusammensetzung von Bauteilen im Ist-Zustand, validiert durch Ex-situ-Analysen, ermöglicht. Kernstück des Projekts ist ein gemeinsames Arbeitsprogramm, das sich auf den intensiven gegenseitigen Austausch von wissenschaftlichen Erkenntnissen und entsprechenden Anwendungsfragen konzentriert. Unser Projekt erweitert das in der ersten Förderperiode des SFB/TRR270 generierte Wissen über Permanentmagnete auf einen breiteren Material- und Anwendungsbereich, indem es werkstoff- und prozessbedingte Faktoren während der PBF-LB untersucht und damit den Weg für eine In-situ-Qualitätskontrolle in der PBF-LB/M ebnet.

• DFG-Verfahren: Transregios (Transferprojekt)
• Teilprojekt zu: TRR 270: Hysterese-Design magnetischer Materialien für effiziente Energieumwandlung
• Antragstellende Institution: Technische Universität Darmstadt
• Unternehmen: Aconity GmbH
• Teilprojektleiter: Professor Dr.-Ing. Stephan Barcikowski