Hochbeanspruchte Bauteile, anspruchsvolle Werkstoffe und komplexe Bauteilgeometrien: Das sind nur einige der speziellen Anforderungen der Luft- und Raumfahrtbranche, der Automobilbranche sowie der Medizintechnik. Um dieser Vielzahl an Herausforderungen gerecht zu werden, wurden in den letzten Jahren verschiedene additive Fertigungsverfahren entwickelt. Das metallpulverbasierte Laserstrahlschmelzen (LPBF) ist ein additives Verfahren, das sich auch für spezifische Materialien dieser Branchen, wie Titan-Aluminium-Vanadium Legierungen (Ti6Al4V), eignet.
Treffen neu entwickelte Werkstoffe und spezifische Bauteilgeometrien in einem komplexen Fertigungsverfahren wie dem LPBF aufeinander, entstehen trotz sorgfältiger Prozessentwicklung regelmäßig Defekte in Form von Poren und Eigenspannungsrissen in den laseradditiv gefertigten Bauteilen. Diese Bauteilschwächen sind Resultat der thermischen Einflüsse während des Fertigungsprozesses. Zusätzlich ergibt sich durch diese Wechselwirkungen eine Mikrostruktur im Bauteil, die sich signifikant von konventionell hergestellten Werkstoffen unterscheidet. Diese Phänomene sind ein wesentlicher Grund dafür, weshalb der LPBF-Prozess trotz seiner Vorteile nur zögerlich Einzug in die industrielle Serienfertigung erhält.
Um diese Hürden abzubauen, widmen sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-IWT und des Fraunhofer IWM in ihrem Projekt „AM MikroMod“ den thermischen Einflüssen beim LPBF-Prozess. So wollen sie die Zusammenhänge zwischen Werkstoffeigenschaften und den Prozessparametern beim metallpulverbasierten Laserstrahlschmelzen besser verstehen und eine gezielte Einstellung der Eigenschaften über die Mikrostruktur des Werkstoffes erreichen.
„Die thermischen Bedingungen während des laseradditiven Fertigungsprozesses sind verantwortlich für die resultierenden Werkstoffeigenschaften“, sagt Dr.-Ing. Christian Werner, stellvertretender Leiter der Abteilung Leichtbauwerkstoffe am Leibniz-IWT. „Deshalb wollen wir die lokalen Temperaturbedingungen zukünftig in die Prozessentwicklung einbeziehen, indem wir Prozessdaten zunächst experimentell erfassen und anschließend für den industriellen Bedarf modellieren.“
Mit hoher Geschwindigkeit und Auflösung das Temperaturverhalten verstehen
Das Forschungsprojekt zielt auf eine detailliertere Erfassung der thermischen Bauteilhistorie bei der laseradditiven Fertigung am Beispiel des Werkstoffs Ti6Al4V mittels einer Hochgeschwindigkeits-Infrarotmessungen ab. Somit trägt das Vorhaben zunächst zu einem besseren Verständnis der auftretenden Temperaturen, Heiz- und Abkühlraten und deren Auswirkung auf die Mikrostruktur bei. Aus den erhobenen Daten wird anschließend ein thermisches Modell entwickelt, auf dessen Grundlage im weiteren Verlauf eine gängige prozessintegrierte Temperaturmessung kalibriert wird und somit die Prozessparameter gesteuert werden können.
Dadurch wird eine gezielte Modifikation der Mikrostruktur ermöglicht, die zu einer gezielten Homogenisierung der Werkstoffeigenschaften in geometrisch komplexen Bauteilen führt. Zudem lassen sich bionische Prinzipien auf mikrostruktureller Ebene des Werkstoffes umsetzen. So können im Rand- und Kernbereich einer Komponente unterschiedliche Werkstoffeigenschaften für spezifische Anwendungen eingestellt werden.
Mit Maschinellem Lernen komplexe Wechselwirkungen verstehen
Aufgrund der zahlreichen Prozessparameter und komplexen Wechselwirkungen sind die Zusammenhänge zwischen Temperatur, Heiz- und Abkühlraten, Wiedererwärmung sowie daraus resultierender Mikrostruktur über klassische ingenieurwissenschaftliche Methoden kaum abzubilden. Aus einer Erfassung der lokalen Heiz- und Kühlraten sowie deren räumlich exakten Korrelation mit der Bauteilmikrostruktur, den mechanischen Eigenschaften und mikrostrukturellen Eigenschaften sowie den lokalen Laserparametern werden daher mittels Methoden des Maschinellen Lernens Zusammenhänge abgeleitet.
Hieraus können Prozess- und Schreibstrategien für die laseradditive Fertigung entwickelt werden, die eine gezielte Mikrostrukturmodifikation ermöglichen. Dies stellt zudem eine Basis für qualitätssichernde Konzepte in der LPBF-Fertigung, wie adaptive Prozesssteuerung und selektive zerstörungsfreie Prüfung, dar.
Das Projekt „AM MikroMod“ wird im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung der AiF über die Forschungsvereinigung Stifterverband Metalle durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im Zeitraum vom 01.02.2022 bis 31.07.2024 gefördert.
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