Thema 5.1

Rekonfigurierbare additive Fertigung Forschungsthema 5.1

Die Vorteile der additiven Fertigung werden oftmals erst dann ersichtlich, wenn das zu produzierende Bauteil eine komplexe Geometrie aufweist und in kleinen Stückzahlen produziert werden soll. Die industrielle, additive Fertigung setzt bei solchen Gegebenheiten zunehmend das pulverbasierte Laserstrahlschmelzen (engl. Laser Powder Bed Fusion, L-PBF) ein. Das Verfahren basiert auf dem schichtweisen Aufbau von Bauteilen durch selektives Schmelzen feiner Metallpulver. Die für das Aufschmelzen notwendige Energie wird über einen Laserstrahl in das Material eingebracht.

Trotz der rasanten technologischen Entwicklung des Verfahrens gibt es Herausforderungen, die unter anderem die Kontrolle des Schmelzbades betreffen. Die Kriterien, an denen die Qualität eines additiven gefertigten Bauteils gemessen wird, sind beispielsweise die Porosität, die erzeugten Oberflächen aber auch die mechanischen Eigenschaften des bearbeiteten Materials. All diese Kriterien werden maßgeblich vom Schmelzbadverhalten beeinflusst. Die Kernfrage dieser Forschungseinheit ist demnach folgende: Welche Methoden machen das Schmelzbad kontrollierbarer? Durch das dynamische Manipulieren der Phase, Amplitude und Polarisation des Laserlichts durch sogenannte Strahlformungsoptiken kann die Energieverteilung des Laserstrahls beeinflusst werden. Der Forschungsschwerpunkt liegt auf der Untersuchung des Einflusses bestimmter Energieverteilungen auf das Schmelzbad.

Herausforderungen

Aktuell besteht die Herausforderung darin, den Versuchsstand zu konzeptionieren und aufzubauen. Die verschiedenen Komponenten müssen in die Peripherie des Labors eingebunden werden. Dazu gehört neben der Beschaffung relevanter technischer Bauteile auch ein Laserschutzkonzept und die dafür notwendige Umhausung. Darüber hinaus muss das Labor die notwendige Strom- und Wasserversorgung für die Kühlung gewährleisten können.

Neben den Herausforderungen in der Organisation und Verwaltung wird es im späteren Verlauf des Projekts darauf ankommen, Expertise im Bereich der Schmelzbadsimulation zu gewinnen. Hierbei kann nicht auf die Ressourcen der Hochschule zurückgegriffen werden. Zudem sollte ein Konzept zur
Datenerhebung und Auswertung erstellt werden. Es gilt die Frage zu klären, wie das Prozess-Monitoring aussehen kann und wie die erhobenen Daten verarbeitet werden.

Forschungsansatz

Diese Forschungseinheit ist in der Grundlagenforschung angesiedelt und verfolgt einen quantitativen Ansatz. Mit dem Versuchsstand, der im Labor der additiven Fertigung an der Hochschule Esslingen aufgebaut wird, werden zukünftig würfelförmige Proben additiv aufgebaut. Der Versuchsaufbau besteht aus verschiedenen Komponenten. Dazu gehört eine 2KW Laserquelle, eine Prozesskammer und eine Strahlformungsoptik, die die Energieverteilung des Laserstrahls verändert. Mit der Versuchsdurchführung sollen in verschiedenen Phasen des Prozesses empirische Daten erhoben werden. Das beinhaltet:

Materialdaten: Partikelgröße und Verteilung, Pulverdichte etc.
Prozessdaten: Laserleistung, Energieverteilung, Scanstrategie, Schichtdicke etc.
Qualitätsdaten: Porosität, Dichte, Oberfläche, Mikrostruktur, Risse, Spritzerbildung etc.

Vor der physischen Umsetzung soll das Schmelzbadverhalten unter den angestrebten Bedingungen mit Hilfe einer Simulation betrachtet werden.