Entwicklung und Validierung einer Methodik zur in-situ Detektion und modellgestützten Bewertung von Fertigungsdefekten beim Elektronenstrahl-Pulverbettschmelzen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Carolin Körner; Professor Dr.-Ing. Frank Walther
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 528264362

Ein wesentlicher Vorteil additiver Fertigungsverfahren wie dem Elektronenstrahl-Pulverbettschmelzen (PBF-EB) ist die Möglichkeit zur werkzeuglosen Herstellung komplex geformter Bauteile. Durch die stark ortsabhängigen Prozessbedingungen treten jedoch auch vermehrt lokale Defekte in den gefertigten Bauteilen auf, die derzeit nur durch eine aufwändige, zerstörungsfreie Nachprüfung detektiert werden können. Gleichzeitig ist der Einfluss eines Defekts auf die Leistungsfähigkeit eines komplex geformten Bauteils stark von dessen Charakteristik (Lage, Größe, Form, Orientierung) abhängig, wofür gegenwärtig nur unzureichende Bewertungskriterien existieren. Um diese Einschränkungen zu überwinden, soll eine Methodik entwickelt und validiert werden, die es erlaubt, bruchauslösende Defekte im PBF-EB mittels elektronenoptischer Prozessbeobachtung (ELO) zuverlässig zu erfassen und zu charakterisieren und deren quantitativen Einfluss auf die lokale mechanische Leistungsfähigkeit modellgestützt zu bewerten. Damit soll ein fundiertes Kriterium zur Bewertung einzelner Defekte bereitgestellt werden und die Notwendigkeit einer zusätzlichen zerstörungsfreien Prüfung der Bauteile vollständig entfallen. Ein Ziel der ersten Projektphase ist dabei die Entwicklung eines Algorithmus zur qualitativen Detektion von Anbindungsfehlern aus ELO-Signaldaten des additiven Fertigungsprozesses, sodass diese bereits während der Fertigung zuverlässig detektiert werden können. Die Charakteristik der Defekte wird im Nachgang mittels Röntgen-Computertomographie erfasst und soll zusammen mit den mechanischen Kennwerten der untersuchten Prüfkörper für eine Validierung und Weiterentwicklung von defekt- und mikrostrukturbasierten Modellen genutzt werden. Die Untersuchung soll anhand des Materialsystems der Titanaluminide (TiAl) durchgeführt werden, die aufgrund ihrer geringen Defekttoleranz und des linear-elastischen Materialverhaltens besonders sensibel gegenüber lokalen Defekten sind. Durch die Verwendung der für PBF-EB optimierten und bisher kaum charakterisierten Legierung BMBF3 werden dabei zudem neue Werkstoffdaten generiert, die für die Anwendbarkeit des vielversprechenden Materials notwendig sind. Dabei wird durch umfangreiche Analysen an beiden Standorten ein tiefgehendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Prozessparametern, Mikrostruktur- und Defektausbildung sowie mechanischen Eigenschaften unter anwendungsnahen Bedingungen ermöglicht und die Übertragung der Forschungsergebnisse auf andere additiv verarbeitete Legierungen ermöglicht. Hierfür werden alle Untersuchungsergebnisse, bestehend u.a. aus Prozessparametern, Mikrostruktur- und Defektanalysen, mechanischen Kennwerten (quasistatisches und zyklisches Werkstoffverhalten) und fraktografischen Analysen, in einem digitalen Zwilling jeder Probe gesammelt und für die umfassenden Analysen verwendet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen