Hochdurchsatz Materialcharakterisierung unter Nutzung additiver Laserauftragschweißprozesse kombiniert mit in situ Röntgenanalyse und weitergehender Instrumentierung

• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434506338

Das Hochdurchsatz-Screening von Volumenmaterialien ist eine große Herausforderung für Wissenschaftler in der Produktionstechnik, den Materialwissenschaften und der Werkstofftechnik. Üblicherweise werden zur Materialentwicklung im Bereich der Metalle kleine Knopfproben gegossen, wärmebehandelt und über konventionelle Methoden wie optische Mikroskopie und mechanische Prüfverfahren charakterisiert, parallel begleitet durch Simulationen. In der Kunststofftechnik werden neue Materialien traditionell über Compoundierung, Granulatherstellung und Spritzguss hergestellt. In allen Fällen führt die experimentelle Nachcharakterisierung hierbei zu sehr hohen zeitlichen Aufwänden. Zudem können Mikrostrukturen und hiermit verbundene mechanische Eigenschaften für Zustände fern ab des thermodynamischen Gleichgewichts, wie dies z.B. für additiv gefertigte (AM) Werkstoffe charakteristisch ist, kaum realisiert werden. Daher bedarf es neuer experimenteller Aufbauten/Systeme, die es erlauben ein schnelles Screening von Volumenmaterial durchzuführen und dabei auch Zustände abseits des thermodynamischen Gleichgewichts zu erfassen. Das Laserauftragsschweißen begleitet durch in situ Röntgenanalyse wird es erlauben die bestehende Lücke zu schließen. Prinzipiell baut das beantragte System gedanklich auf zwei etablierten Methoden zum Materialscreening auf: der Dünnschichttechnologie zur Abscheidung von Materialbibliotheken mit anschließender Hochdurchsatzcharakterisierung sowie der in situ Analyse der Mikrostrukturentwicklung in Volumenmaterial mittels Synchrotronstrahlung. Beide benannten Verfahren haben inhärente Nachteile. Die Dünnschichttechnologie kann nicht die mikrostrukturellen Details von rascherstarrten Materialien (AM) erfassen und ist teils durch sog. Dünnschichteffekte beeinflusst, so dass Eigenschaften von äquivalenten Volumenproben abweichen können. Die in situ Synchrotronanalyse ist natürlich ein sehr umfassender Ansatz, jedoch sind verfügbare Messzeiten sehr knapp.Das beantragte System erlaubt es alle benannten Probleme zu lösen. Über das Laserauftragsschweißen unter Verwendung verschiedener Draht- bzw. Pulverwerkstoffe wird Volumenmaterial realisiert, wobei die chemische Zusammensetzung von Probe zu Probe oder aber auch von Schicht zu Schicht variieren kann. Dadurch lassen sich nicht nur monolithische Materialien additiv herstellen, sondern auch Verbundmaterialien und Materialverbunde. Als Basis können Metalle, Keramiken und Kunststoffe verwendet werden (reine Elemente und/oder Legierungen). In situ Röntgenbeugung sowie Radiographie werden es erlauben die Dynamik des Schmelzbades und die Defektentstehung im Volumen zu untersuchen sowie die Charakterisierung auftretender kristalliner Phasen in Echtzeit ermöglichen. Weitere Sensoren werden ebenfalls Echtzeitdaten liefern. Dies ermöglicht ein Materialscreening in einer Weise die bislang nicht zugänglich war. Die Expertise der beteiligten Arbeitsgruppen deckt alle erforderlichen Felder ab.

• DFG-Verfahren: Großgeräteinitiative
• Großgeräte: System for Laser Deposition
• Gerätegruppe: 4050 Meßelektronik und Zubehör für Röntgengeräte
• Antragstellende Institution: Universität Kassel
• Leiter: Professor Dr.-Ing. Thomas Niendorf
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Stefan Böhm; Professor Dr.-Ing. Hans-Peter Heim