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Technische Universität München

MultiMatDED

Investigation of Process-Structure-Properties-Relationships of graded Multi-Material-Components using Laser Directed-Energy Deposition

Die Fortschritte im Bereich der additiven Multimaterial Fertigung in den letzten Jahren haben viel Aufmerksamkeit erregt. Der Hauptanreiz in diesem Zusammenhang ist die Nachfrage nach komplexen Bauteilen, die ein breites Spektrum an Eigenschaften und verbesserten Funktionalitäten bieten. Durch eine anforderungsabhängige Materialzusammensetzung innerhalb eines Bauteils kann eine verbesserte Performance erzielt und gleichzeitig der Einsatz kostenintensiver Legierungen optimiert werden. Die Möglichkeit, Materialeigenschaften auf bestimmte Bereiche eines Bauteils zuzuschneiden, ebnet den Weg für eine neue Ära der Effizienz und Individualisierung in verschiedenen Industriebranchen.

Analog zu dem unterschiedlichen Entwicklungsstand metallbasierter AM-Verfahren, variiert auch der Fortschritt im Bereich der additiven Multimaterialverarbeitung. Während anwendungsbezogene Multimateriabauteile, die durch laserbasiertes Pulverbettschmelzen (PBF-LB) hergestellt werden, bereits eingehend untersucht werden, befindet sich die Forschung im Bereich der Verfahren, die auf Basis gerichteter Energieeinbringung (mittels Laserstrahl) beruhen, noch in einem frühen Stadium. Abgesehen von den unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe, besteht eine zentrale Herausforderung beim Laserpulverauftragschweißen darin, den komplexen Zweiphasenstrom aus Metallpulver und Trägergas vollständig zu beherrschen. Wechselwirkungen zwischen den Partikeln, Verunreinigungen, Agglomerationseffekte und Clustering beeinflussen die Strömungsdynamik und führen zu einer ungleichmäßigen Partikelverteilung innerhalb des Pulvergasstroms. Infolgedessen besteht die Herausforderung der vollständigen Prozesskontrolle zur Gewährleistung einer definierten Pulverzusammensetzung, insbesondere bei gradierten Materialübergängen

In diesem Zusammenhang werden im Rahmen des Projekts die zugrundeliegenden Mechanismen und Wechselwirkungen bei der Verwendung unterschiedlicher Pulverwerkstoffe innerhalb eines Bauteils für den DED-LB-Prozess eingehend untersucht. Neben der Analyse und Überwachung des Pulver-Gas-Stroms mittels fortschrittlicher Sensorik werden weitere Sensoren zur Prozessüberwachung installiert, um ein umfassendes Verständnis der Prozesse während der Herstellung von Multimaterialbauteilen zu erlangen. Da Multimaterialbauteile im Vergleich zu regulären AM-Bauteilen besondere Herausforderungen hinsichtlich der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen aufweisen, ist ein hoher Aufwand für eine umfassende Prüfung erforderlich. Im Rahmen des Projekts werden relevante Prüfverfahren ermittelt, die die Eigenschaften von Multimaterialbauteilen berücksichtigen und zur Entwicklung angepasster Prüfrichtlinien führen.

Projektziele: 

  • Untersuchung der Mechanismen und Zusammenhänge bei der Verwendung mehrerer Pulverwerkstoffe im Zusammenhang mit dem Laserauftragschweißen
  • Bewältigung prozessbedingter und mikrostruktureller Herausforderungen sowie gezielte Nutzung des Potenzials von Multimaterialansätzen beim Laserauftragschweißen durch Einbindung moderner Sensor- und Messtechnik
  • Erstellung von Richtlinien für das Mischen von Pulvern, die Fertigung von Multimaterialbauteilen sowie deren Prüfung (z. B. unter anwendungsnahen Bedingungen) – sowohl für die additive Fertigung neuer Komponenten als auch für die Modifikation von Halbzeugen mittels Laserauftragschweißen.

Leitung des Forschungsprojekts

Forschende

  • Julius Arnhold
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