TRR277 A06 – Laser-Strahlschmelzen (PBF-LB/M) von Stahlelementen für das Bauwesen – Grundlagen der Konstruktion und der mechanischen Belastbarkeit

Ziel dieses Projekts ist die Erfassung und Bewertung der maßgebenden Einflussfaktoren auf die Fertigung von sicheren und langlebigen Stahlbauelementen mittels des pulverbettbasierten Schmelzens von Metallen mittels Laserstrahl (engl. Powder Bed Fusion of Metals using a Laser Beam, kurz PBF-LB/M). Insbesondere werden der Zusammenhang und die Abhängigkeiten zwischen dem PBF-LB/M-Prozess, der Nachbehandlung und der Geometrie mit der Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften untersucht und modelliert.

Motivation

Das PBF-LB/M ist eine der Schlüsseltechnologien unter den metallischen additiven Fertigungsverfahren. Damit ist es möglich, hoch komplexe Strukturen sehr präzise direkt aus digitalen Konstruktionsdaten zu fertigen. Das hat dazu geführt, dass das Verfahren heute in vielen Industriebereichen bereits in der Serienfertigung eingesetzt wird. Durch seine Eigenschaften bietet das PBF-LB/M auch ein hohes Potenzial für das Bauwesen: Aufgrund der hohen Gestaltungsfreiheit, der direkten Verknüpfung von realer mit digitaler Welt und der Wirtschaftlichkeit bei Losgröße eins könnte die Additive Fertigung die Bauindustrie revolutionieren. Das PBF-LB/M eignet sich hierbei besonders für die Herstellung von Elementen für den Stahlbau.

Zielsetzung

Bisher ist eine zuverlässige Vorhersage und Reproduzierbarkeit der mechanischen Eigenschaften von PBF-LB/M-gefertigten Stahlelementen noch nicht möglich. Um das Verfahren im Bauwesen etablieren zu können, ist es notwendig, eine Methodik zur prozesssicheren Fertigung von langlebigen Stahlbauelementen mittels PBF-LB/M zu entwickeln.

Vorgehen

Zunächst wird mithilfe von In-Prozess-Thermographie der Einfluss von Prozessparametern auf die Abkühlraten beim PBF-LB/M untersucht. Zudem sollen die Einflüsse von geometrischen Aspekten und Nachbehandlungen auf die mechanischen und metallurgischen Eigenschaften der Bauteile untersucht werden. Im weiteren Verlauf des Projekts werden mithilfe der untersuchten Zusammenhänge, formoptimierte Stahlbauelemente und Großbauteile hergestellt und unter Berücksichtigung realer Einsatzbedingungen getestet. Abschließend soll eine Methodik abgeleitet werden, welche den wirtschaftlichen und prozesssichern Einsatz von PBF-LB/M im Bauwesen ermöglicht.

In-Prozess-Thermografie beim PBF-LB/M

Ergebnisse

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts werden die Zusammenhänge zwischen Prozess-parametern, Abkühlraten, Nachbehandlung und geometrischen Aspekten mit den statischen und zyklischen mechanischen Eigenschaften von PBF-LB/M -gefertigten Stahlbauteilen ermittelt. Basierend auf diesen Erkenntnissen sollen anschließend Konstruktionsempfehlungen abgeleitet werden, um Stahlbauteile mit reproduzierbaren und definierten mechanischen Eigenschaften mittels PBF-LB/M zu fertigen.