Untersuchung des Einflusses der Strahlformung auf die Entwicklung von Temperaturfeldern bei der Lasermaterialbearbeitung

• Antragsteller: Lova Chechik, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 548990686

Dieses Projekt zielt darauf ab, den Einfluss der Strahlform auf das Temperaturfelder bei der Lasermaterialbearbeitung und deren Auswirkungen auf das Endbauteil besser zu verstehen. Es werden neue Strahlformen speziell für das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen von Metallen (PBF-LB/M) entwickelt und getestet. Dafür wird eine Kombination aus rechnerischen und experimentellen Methoden sowie eine Prozessüberwachung zur Prozessquantifizierung eingesetzt. Die Schwerpunkte liegen hierbei auf der Produktivität und der Kontrolle der Mikrostruktur beim PBF-LB/M. Durch die Kontrolle der Schmelzbadgeometrie können sowohl der Spurabstand als auch die Schichtdicke erhöht werden, wodurch die Fertigungszeit von voluminösen Bauteilen erheblich reduziert wird und somit zu erheblichen Kosteneinsparungen führt. Durch die Steuerung des thermischen Gradienten direkt hinter dem Schmelzbad können sowohl die Größe als auch die Morphologie der Mikrostruktur beeinflusst werden, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Bauteils eingestellt werden können. Die Hauptziele der rechnergestützten Untersuchungen sind die Verbesserung der Genauigkeit der Low-Fidelity-Simulation und die Validierung dieser Ergebnisse durch die Verwendung komplexer Strahlformen. Mit Hilfe von Optimierungsverfahren wird ermittelt, welche Low-Fidelity- Simulationen durchgeführt werden müssen; es werden neue Strahlprofile mit einer angestrebten Vergrößerung der Schmelzbadfläche um 50 % entworfen. Anschließend müssen diese neu entworfenen Strahlformen experimentell getestet werden, um die direkte Anwendbarkeit bei der Lasermaterialbearbeitung nachzuweisen. Ein räumlichen Lichtmodulator wird eingesetzt, um die gewünschten Strahlformen zu erzeugen; ein Hauptziel sind hierbei genaue Strahlformen mit einer Strukturgröße von ≤20 µm. Um die breite Anwendbarkeit dieser Arbeit zu demonstrieren, werden Experimente an Materialien mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften durchgeführt, da sich Temperaturfelder in verschiedenen Materialien unterschiedlich entwickeln. Für eine Nachbildung des PBF-LB/M werden darüber hinaus Experimente mit einer einzelnen Pulverschicht durchgeführt. Die Prozessüberwachung (sowohl Hochgeschwindigkeits- als auch thermische Überwachung) wird zur Beobachtung der Prozessdynamik und zum besseren Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen eingesetzt. Die Produktivitätssteigerung bei Verwendung der neuen Strahlformen wird im Vergleich zum derzeitigen Stand der Technik (Gauß- und Ring-/Punktstrahlformen) quantifiziert, wobei eine Bauteildichte von ≥99,7 % als weiteres Bewertungskriterium dient. Darüber hinaus wird die Mikrostruktur der Bauteile analysiert, um die Möglichkeit der Mikrostrukturkontrolle beim PBF-LB/M durch Änderung der Strahlform zu demonstrieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt