Laserumschmelzstrukturierung zur Beseitigung von Welligkeit oder Herstellen von Strukturen auf metallischen Oberflächen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Johannes Henrich Schleifenbaum
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 409767817

Am Lehrstuhl für digitale additive Production DAP der RWTH Aachen University wird ein innovatives Strukturierungsverfahren für Metalle untersucht, welches Strukturen nicht durch Materialabtrag sondern durch Materialumverteilung mittels modulierter Laserstrahlung erzeugt. Charakteristika und Vorteile des Verfahrens sind:- Erzeugung von periodischen Strukturen geringer Rauheit mit lateralen Abmessungen im µm- bis mm-Bereich und Strukturhöhen von 2 bis 500 µm- Strukturierung ohne Materialabtrag- Möglichkeit der Beseitigung vorhandener Welligkeiten und Strukturen aus anderen Prozessen durch Strukturierung der inversen Struktur („destruktive Interferenz")- Gleichzeitige Strukturierung und Laserpolitur in einem Bearbeitungsschritt- Homogenisierung der chemischen Zusammensetzung der Oberflächenrandschicht und Erzeugung eines feinkörnigen Gefüges resultiert z.B. in verbesserter Korrosionsbeständigkeit oder HärteMögliche Anwendungen liegen in der additiven Fertigung (Nachbearbeitung von SLM Bauteilen), im Maschinenbau (Nachbearbeitung von gefrästen Oberflächen), dem Werkzeug- und Formenbau (Designoberflächen, wiederbeschreibbare Metalle), der Luftfahrt (Strömungstechnik) oder der Schmuckindustrie. Jedoch ergeben sich u.a. aufgrund der Neuheit des Verfahrens noch viele grundlegende wissenschaftliche Fragestellungen:- Vollständiges Verständnis des zu Grunde liegenden Wirkmechanismus für die Strukturbildung. Das paradoxe gegensätzliche Verhalten des Werkzeugstahls 1.2379 zeigt, dass das Prozessprinzip noch nicht vollständig erklärt ist- Inverses Problem: Welche Modulation der Laserstrahlung für vorgegebene Strukturen erforderlich ist, ist bisher nur ansatzweise für periodische Strukturen untersucht- Die Beseitigung vorhandener Strukturen und Welligkeiten durch „destruktive Interferenz“ ist bisher nur für 1-dimensionale Sinuswellen untersucht. Die Beseitigung von 2-dimensionalen Sinus- und aperiodischen Strukturen ist bisher nicht erforscht- Übertragbarkeit des Verfahrens auf weitere metallische Werkstoffe und Untersuchung, welche thermophysikalischen Werkstoffeigenschaften relevant sind- Modelltheoretische Betrachtung der Laserumschmelzstrukturierung, um u.a. den Einfluss von Schmelz- und Erstarrungsrate, Volumensprung fest-flüssig und Oberflächenspannung auf die Erzeugung der Strukturen zu untersuchen- Erweiterung der Prozessgrenzen (Strukturen mit Ortswellenlängen < 100 µm, Flächenrate). Wo liegen physikalische Grenzen? Kann ein Schmelzbad zu klein oder die Lasermodulation zu schnell für eine Strukturierung sein?- Untersuchung der Laserumschmelzstrukturierung für 3D Oberflächen (Einstrahlwinkel, Ansätze zwischen Teilflächen) an einfachen 3D RegelgeometrienDiese Fragestellungen sollen im Rahmen dieses Projektes in enger Zusammenarbeit zwischen dem Lehrstuhl DAP der RWTH Aachen University und dem National Institute of Aviation Technologies NIAT aus Moskau bearbeitet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research
• Kooperationspartner: Dr.-Ing. Oleg Oreshkin