AM-MikroMod: Erfassung von Temperaturgradienten und lokalen Abkühlraten von AM-Bauteilen bei der laseradditiven Fertigung zur Beschreibung und Modifikation der mikrostrukturellen Eigenschaften

Projektbeschreibung

Die additive Fertigung gilt als eine Schlüsseltechnologie für einen ressourceneffizienten Leichtbau und bei der Herstellung von Produkten mit einem hohen konstruktiven Freiheitsgrad. Obgleich die Technologie in Form der laseradditiven Fertigung (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) vielfach Einzug in die industrielle Produktion erhalten hat, sind weiterhin vielfältige Hürden für eine vollständige Prozessbeherrschung zu überwinden. Wenn neu entwickelte Werkstoffe und spezifische Bauteilgeometrien in einem komplexen Fertigungsverfahren wie dem LPBF kombiniert werden, treten trotz sorgfältiger Prozessentwicklung häufig Defekte wie Poren und Eigenspannungsrisse in den laseradditiv gefertigten Bauteilen auf. Diese Bauteilschwächen resultieren aus den thermischen Einflüssen während des Fertigungsprozesses. Aus dem wiederholten Erwärmen und Aufschmelzen des Materials ergeben sich inhomogene lokale Werkstoffeigenschaften und eine Mikrostruktur im Bauteil, die sich signifikant von konventionell hergestellten Werkstoffen unterscheidet.

Ziel dieses Projektes war es, auf Basis von lokaler Temperaturerfassung des Schmelzbades und seiner weiteren Umgebung in Kombination mit thermischer Simulation diese Mikrostruktur gezielt zu beeinflussen und dadurch eine gezielte Gradierung oder Homogenisierung des Werkstoffs zu ermöglichen.

Am Beispiel des Werkstoffs Ti6Al4V wurde die thermische Bauteilhistorie während des LPBF-Prozesses durch Hochgeschwindigkeits-Infrarotmessungen erfasst. Die im Schmelzbad, seiner Umgebung und dem ganzen Bauteil ermittelten Temperaturen und Temperaturgradienten wurden zur Ableitung von Prozess- und Schreibstrategien für spezifische lokale thermische Belastungen, z.B. in Abhängigkeit der Bauhöhe, Bauraumbelegung, Stützstrategie und Schichtdicke, eingesetzt. Auf Basis der gesammelten Daten wurde ein thermisches Modell entwickelt, das zur Kalibrierung einer gängigen prozessintegrierten Temperaturmessung dient, um die Prozessparameter zu steuern. Dies ermöglicht eine gezielte Modifikation der Mikrostruktur. Darüber hinaus wurden bionische Prinzipien auf mikrostruktureller Ebene des Werkstoffs realisiert. Dadurch können im Rand- und Kernbereich einer Komponente unterschiedliche Werkstoffeigenschaften für spezifische Anwendungen eingestellt werden.

Im Idealfall kann damit nicht nur innerhalb eines Bauteils mit unterschiedlichen Wandstärken eine nahezu homogene Mikrostruktur erreicht werden, sondern es kann darüber hinaus eine hybride Mikrostruktur eingestellt werden, die unterschiedliche Werkstoffeigenschaften kombiniert. Dieses Konzept ist in vereinfachter Weise auf makroskopischer Ebene von Hybrid- oder Verbundwerkstoffen bekannt.