Neue Materialien hoher Steifigkeit für den Leichtbau durch additive Fertigung mit Ultrakurzpuls-Lasern

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Stephanie Lippmann, seit 8/2022; Professor Dr. Stefan Nolte
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 409766389

Es werden neuartige Konstruktionswerkstoffe mit überlegener Steifigkeit entwickelt, die hohe Elastizitätsmodule mit geringen Dichten kombinieren. Die in der ersten Projektphase begonnenen Untersuchungen an Al-Si und Al-Li werden fortgesetzt, jetzt mit einem starken Fokus auf Al-Li. Es wird eine vollständige Verarbeitungsroute von der Herstellung der Al-Li-Legierungspulver ohne Agglomeration bis zur Herstellung von dichten LPBF-Al-Li-Proben mit verbesserten Eigenschaften etabliert.Insbesondere sollen Al-Li-(Cu-Ca-Zr)-Legierungen mit deutlich höherem Li-Gehalt als kommerzielle Al-Li-Legierungen erzeugt und verarbeitet werden, wobei die schnelle Abkühlung während des LPBF-Prozesses ausgenutzt wird. Das in diesem Projekt angewandte LBPF basiert auf ultrakurzen Laserpulsen (USP). USP erzeugen im Vergleich zu konventionellen Dauerstrichlasersystemen drastisch höhere thermische Gradienten und Abkühlraten. Die Optimierung des USP-LPBF-Prozesses im Hinblick auf reduzierte Li-Verluste und verbesserte mechanische Eigenschaften durch Legierung und optimierte Bearbeitung wird durch Simulation der Laserenergiedeposition und in-situ-Monitoring des Li-Verlustes während des LPBF unterstützt. In der zweiten Projektphase werden zusätzlich in-situ-Messungen des Schmelz-/Erstarrungsprozesses im Schmelzbad während LPBF mit Hilfe einer Infrarotkamera durchgeführt, die die Temperaturverteilung als Funktion der Zeit mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung aufzeichnet. Die Korrelation des Temperaturverlaufs mit mikrostrukturellen Merkmalen wird Rückschlüsse auf die Überhitzung vor der Wiedererstarrung zulassen. In Kombination mit der Mikrostrukturcharakterisierung werden die in-situ Messungen dazu beitragen, die Schmelz- und Erstarrungsdynamik im Schmelzbad während des LPBF besser zu verstehen.Ein tieferes Verständnis der Prozessdynamik und der Mikrostrukturbildung während LPBF wird durch die Anwendung numerischer Modelle sowohl auf mikroskopischen als auch auf makroskopischen Längenskalen erwartet. In der zweiten Projektphase werden makroskopische Simulationen der Laserenergiedeposition und der Form des Schmelzbads mit Hilfe eines FEM-Modells mit einem Mikromodell für das Aufschmelzen von Pulverpartikeln und der anschließenden Erstarrung kombiniert. Nichtgleichgewichts-Effekte, erzwungene Konvektion und Grenzflächenthermodynamik werden berücksichtigt. Die Laserprozessparameter und die thermischen Eigenschaften von Pulver und Substrat werden mit den resultierenden Mikrostrukturen korreliert. Die fortgeschrittenen Charakterisierungstechniken und das USP-LPBF werden mit anderen Antragstellern im SPP 2122 geteilt. Das Projekt wird Teil des Round Robin Experiments sein.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2122: Neue Materialien für die laserbasierte additive Fertigung
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Markus Rettenmayr, bis 8/2022 (†)