Forschungsprojekt Untersuchung der thermischen Einflüsse beim LPBF-Prozess

Das metallpulverbasierte Laserstrahlschmelzen (LPBF) erlaubt die Herstellung komplexer Bauteile mit geringem Materialeinsatz. Der Prozess führt jedoch zu vielfältigen thermischen Wechselwirkungen, was zu einer Minderung der Bauteilqualität führen kann. Wissenschaftler des Leibniz-IWT und des Fraunhofer-IWM untersuchen nun diese thermischen Einflüsse.

Treffen neu entwickelte Werkstoffe und spezifische Bauteilgeometrien in einem komplexen Fertigungsverfahren wie dem LPBF aufeinander, entstehen trotz sorgfältiger Prozessentwicklung Defekte in Form von Poren und Eigenspannungsrissen in den laseradditiv gefertigten Bauteilen. Ursache sind die 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.

Den thermischen Einflüssen beim LPBF-Prozess auf den Grund gehen

Im Projekt „AM MikroMod“ wollen nun Wissenschaftler des Leibniz-IWT und des Fraunhofer-IWM den thermischen Einflüssen beim LPBF-Prozess auf den Grund gehen und die Zusammenhänge zwischen Werkstoffeigenschaften und den Prozessparametern besser verstehen um so eine gezielte Einstellung der Eigenschaften über die Mikrostruktur des Werkstoffes zu erreichen. Laut Leibniz-IWT sollen zukünftig die lokalen Temperaturbedingungen in die Prozessentwicklung einbezogen werden, indem die Prozessdaten zunächst experimentell erfasst und anschließend für den industriellen Bedarf modelliert werden.

Integrierte Temperaturmessung soll Prozessparameter steuern

Wie das Leibniz-IWT mitteilt, wird dafür am Beispiel des Werkstoffs Ti6Al4V die thermische Bauteilhistorie beim LPBF-Prozess mittels Hochgeschwindigkeits-Infrarotmessungen erfasst. Aus den erhobenen Daten werde 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, heißt es. Zudem sollen sich bionische Prinzipien auf mikrostruktureller Ebene des Werkstoffes umsetzen lassen. So könnten beispielsweise im Rand- und Kernbereich einer Komponente unterschiedliche Werkstoffeigenschaften für spezifische Anwendungen eingestellt werden.

Zusammenhänge mittels Methoden des Maschinellen Lernens ableiten

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. Nach Angaben des Leibniz-IWT werden daher Zusammenhänge mittels Methoden des Maschinellen Lernens abgeleitet. Hieraus könnten Prozess- und Schreibstrategien für die laseradditive Fertigung entwickelt werden, die eine gezielte Mikrostrukturmodifikation ermöglichen. Dies stelle zudem eine Basis für qualitätssichernde Konzepte in der LPBF-Fertigung, wie adaptive Prozesssteuerung und selektive zerstörungsfreie Prüfung, dar.

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