In-situ Mikrostruktureinstellung


Ein zentrales Forschungsfeld der Arbeitsgruppe ist die gezielte In-situ-Einstellung der Mikrostruktur während additiver Fertigungsprozesse. Insbesondere im pulverbettbasierten Elektronenstrahlschmelzen führen hohe Temperaturen und definierte zeitliche Temperaturverläufe zu lokalen Veränderungen der Legierungszusammensetzung, etwa durch selektive Verdampfung einzelner Elemente. Diese Effekte beeinflussen maßgeblich die Ausbildung der Mikrostruktur und damit die mechanischen Eigenschaften des Bauteils.
Im Rahmen des vom BMWK geförderten Verbundvorhabens AMTrieb werden diese Zusammenhänge systematisch untersucht und für die gezielte Bauteilauslegung nutzbar gemacht. Ziel ist die Entwicklung additiver Prozessstrategien, mit denen unterschiedliche Werkstoffeigenschaften innerhalb eines Bauteils gezielt realisiert werden können. Als exemplarisches Anwendungsszenario dient die Fertigung hochbelasteter Turbinenbauteile aus Titanaluminiden, bei denen durch eine kontrollierte Prozessführung und eine nachgelagerte Wärmebehandlung gezielt verschiedene Mikrostrukturen eingestellt werden.
Ein wesentlicher Enabler dieses Ansatzes ist die frei gestaltbare Scanpfadplanung moderner PBF-EB-Anlagen, die eine gezielte Beeinflussung der lokalen thermischen Historie ermöglicht. Darauf aufbauend wird im Teilvorhaben NumAM eine neuartige numerische Prozesssimulation entwickelt, welche sowohl die zeitlich und räumlich aufgelöste Temperaturentwicklung als auch die prozessinduzierte Veränderung der Legierungszusammensetzung während des Schmelzprozesses abbildet. Dadurch wird erstmals eine simulationsbasierte Vorhersage der entstehenden Mikrostruktur auf Bauteilebene ermöglicht.
Durch den Einsatz dieser numerischen Werkzeuge lassen sich experimentelle Entwicklungszyklen deutlich verkürzen, Prozessparameter gezielt auswählen und stabile, reproduzierbare Scanstrategien entwerfen. Gleichzeitig schaffen die entwickelten Methoden die Grundlage für neue Konzepte der funktionsintegrierten Werkstoff- und Bauteilauslegung, bei denen thermische Historie, Legierungschemie und Mikrostruktur gezielt zusammengeführt werden.


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