Teilprojekt A02 Additive Fertigung

Das selektive Laserstrahlschmelzen (Laser-additive Fertigung im Pulverbett, nach ASTM: LPBF für Laser Powder Bed Fusion, früher oft SLM abgekürzt) wird erfolgreich für die Verarbeitung verschiedener industriell relevanter Werkstoffe eingesetzt. Entscheidend sind dabei das Aufschmelzen des Pulvers, die Benetzung des bereits erstarrten, additiv aufgebauten Grundwerkstoffs sowie die anschließende Konsolidierung. Eine wesentliche Herausforderung besteht allerdings in der Verarbeitung von Werkstoffen mit hoher Sauerstoffaffinität, da sich der Restsauerstoffgehalt der Prozessatmosphäre, bei industriellen Anlagen im Bereich mehrerer 100 ppm, stark auf den Prozess und die resultierende Bauteilqualität auswirkt. Grund hierfür ist die Bildung von Oxidschichten und die resultierende Verschlechterung der Benetzungseigenschaften wodurch inhomogene Schmelzspuren und Balling entstehen können (Bild). Die exotherme Energie bei Oxidationsreaktionen führt zusätzlich zur Laserstrahlung zur Erhöhung der Verdampfungsrate im Prozess und durch die entstehenden Oxide sowie die Sauerstoffaufnahme ins Basismetall kommt es zudem zu einer Versprödung des additiv gefertigten Bauteils. Beide Phänomene tragen damit zu einer Verschlechterung der Bauteileigenschaften bei. Da die Pulverwerkstoffe eine große relative Oberfläche aufweisen und im Falle von Titan und Titanlegierungen zudem eine hohe Affinität zu Sauerstoff vorliegt, kommt hier der Oxidation durch Restsauerstoff eine besondere Bedeutung zu.

Im Teilprojekt A02 soll daher eine neuartige Versuchsanlage entwickelt werden, um die sichere Verarbeitung von Pulverwerkstoffen in XHV-adäquater Atmosphäre zu ermöglichen. Zudem soll durch integrierte Prozesssensorik ein umfangreiches Prozess-Monitoring realisiert werden, auf dessen Basis ein grundlegendes Prozessverständnis, etwa durch Analyse von Balling und Spritzerbildung, erarbeitet werden kann. Insbesondere um die Einflüsse der Oxidschicht und der Prozessatmosphäre auf den Prozess zu quantifizieren, werden Benetzungsverhalten, Mikrostruktur, chemische Zusammensetzung sowie mechanische Eigenschaften untersucht. Basierend auf den Forschungsergebnissen und dem damit erzielten Erkenntnisgewinn wird in der zweiten Förderperiode das betrachtete Werkstoffspektrum erweitert.