Voxel-basiertes Materialdesign durch gezielte Verdampfung bei Electron Beam Powder Bed Fusion

• Antragsteller: Professor Dr. Bilal Gökce
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 559100325

Electron Beam Powder Bed Fusion (PBF-EB) ist eine vielversprechende additive Fertigungstechnologie zur Verarbeitung von Hochleistungswerkstoffen. PBF-EB findet unter Vakuum statt, was zu einer Absenkung der Siedetemperaturen der zu verarbeitenden Materialien und zu einer erheblichen Verdampfung flüchtiger Elemente führt. Eine unkontrollierte Verdampfung während des PBF-EB-Verfahrens kann sich nachteilig auf die chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften der gedruckten Komponenten auswirken. Ziel dieses Projektes ist es, Bauteile mit lokal maßgeschneiderter chemischer Zusammensetzung durch gezielte Verdampfung während des PBF-EB-Prozesses additiv zu drucken. Basierend auf der bahnbrechenden Kombination verschiedener in-operando-Prozessüberwachungsmethoden wird in diesem Projekt eine quantitative Korrelation zwischen Prozessparametern, Verdampfungsraten und lokalen chemischen Zusammensetzungen erzielt, so dass die Herstellung von Bauteilen mit ortsspezifischen mechanischen und funktionellen Eigenschaften durch voxel-basiertes Materialdesign ermöglicht. Als Modellwerkstoff für das Projekt werden Ni-reiche NiTi-Legierungen gewählt, deren Phasenübergangstemperaturen stark von der chemischen Zusammensetzung abhängen. Während des PBF-EB-Prozesses zeigt Nickel unter Vakuumbedingungen und bei hohen Temperaturen eine höhere Verdampfungsneigung als Titan. In diesem Projekt wird untersucht, wie die gezielte Verdampfung kontrolliert werden kann, um die lokale chemische Zusammensetzung der gedruckten NiTi-Komponenten fein zu steuern. Die Gebiete, in denen eine signifikante Ni-Verdampfung während des PBF-EB-Prozesses stattfindet, weisen Ti-reiches NiTi auf, das bei Raumtemperatur eine stabile Martensitphase und Formgedächtniseffekte zeigt. Im Gegensatz dazu stellen die Ni-reichen Bereiche, die während des Druckprozesses eine geringere Ni-Verdampfung erfahren, aufgrund der stabilen Austenitphase bei Raumtemperatur superelastische Eigenschaften dar. Durch voxel-basiertes Materialdesign und gezielte Verdampfung werden funktional gradierte NiTi-Bauteile hergestellt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Zongwen Fu