SimGas – Experimentelle und theoretische Untersuchung des Prozessgaseinflusses beim Laser-Strahlschmelzen

Die Additive Fertigung gilt als eine der vielversprechendsten Fertigungstechnologien für die Zukunft. Für den breiten industriellen Einsatz gilt es, sämtliche Einflüsse auf den Prozess zu verstehen. Neben den bekannten Prozessgrößen spielt das Prozessgas eine wichtige Rolle bei der Herstellung qualitativ hochwertiger Bauteile. Daher wurde zwischen dem iwb und der Linde GmbH eine Kooperation geschaffen, die sich dem Prozessgaseinfluss beim Laser-Strahlschmelzen widmet.

Motivation

Das generative Fertigungsverfahren Laser-Strahlschmelzen gilt als eine der vielversprechendsten Fertigungstechnologien der Zukunft. Ein umfassendes Prozessverständnis ist die Voraussetzung dafür, die Verbreitung des Verfahrens in der Industrie weiter voranzutreiben. Der Einfluss des Schutzgases auf den Prozess ist ein Aspekt, der bisher kaum betrachtet wurde. Typischerweise wird beim Laser-Strahlschmelzen abhängig vom Werkstoff mit dem inerten Edelgas Argon oder mit Stickstoff gearbeitet. Denkbar ist jedoch auch der Einsatz von anderen Gasen wie beispielsweise Helium oder Wasserstoff sowie von Gasgemischen. Dabei ist davon auszugehen, dass jedes Prozessgas einen unterschiedlichen Einfluss auf den Prozess hat und somit ein anderes Ergebnis entsteht. Die Kooperation zwischen dem iwb und der Linde GmbH zielt daher darauf ab, den Prozessgaseinfluss beim Laser-Strahlschmelzen grundlegend zu untersuchen.

Zielsetzung

Ziel der Zusammenarbeit ist die Erweiterung des Prozessverständnisses über den Prozessgaseinfluss bei der Verarbeitung von Aluminiumlegierungen mittels Laser-Strahlschmelzen. Gerade bei den Aluminiumwerkstoffen gibt es den Bedarf, die Palette der mittels Laser-Strahlschmelzen verarbeitbaren Legierungen zu erweitern. Das umfassende Wissen über den Prozessgaseinfluss kann hierbei einen wichtigen Beitrag leisten und als Befähiger für die Legierungs- und Prozessentwicklung dienen.

Vorgehensweise

In dieser Zusammenarbeit sollen die maßgeblichen Einflüsse verschiedener Gase auf den Laser-Strahlschmelzprozess aufgedeckt werden. Im Fokus der Betrachtungen stehen materialseitig vor allem Aluminiumlegierungen. Zunächst gilt es, ein grundlegendes Verständnis über die Wechselwirkungen zwischen dem Prozessgas und dem Pulverwerkstoff bei verschiedenen Prozessbedingungen aufzubauen. Zum Einsatz kommen dazu sowohl experimentelle als auch analytische Methoden. Bei experimentellen Untersuchungen werden verschiedene Techniken wie Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, Pyrometrie oder Gasströmungsmessungen eingesetzt, um das Verhalten der Gase im Prozess zu erfassen. Ergänzt werden diese prozessseitigen Untersuchungen durch die Analyse der gefertigten Bauteile. Dabei sollen vor allem metallurgische Untersuchungen durchgeführt werden. Neben den Mikrostrukturanalysen der Bauteile werden auch die mechanischen Kennwerte wie Zugfestigkeit oder Bruchdehnung ermittelt. CFD-Simulationen visualisieren im Rahmen der analytischen Methoden den Gasstrom in der Baukammer, um experimentelle Strömungsmessungen zu ergänzen. Dadurch lässt sich der Gasstrom in der gesamten Baukammer untersuchen.

Dank

Der Linde GmbH sei für die Kooperation besonders gedankt.