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Schwerpunktprogramm 2122: Neue Materialien für die laserbasierte additive Fertigung (SPP 2122)

CONtrol - Kontaminationstolerante unter- und übereutektische Al-Si-Legierungen für die additive Fertigung

Die in der Produktion eingesetzten Laser werden zwar immer leistungsfähiger und brillanter, die zur Verfügung stehenden Materialien sind jedoch für die heute geforderten Bearbeitungsaufgaben oft völlig ungeeignet. Bis heute sind in der additiven Fertigung Metallpulver, die vor mehr als 50 Jahren für einen völlig anderen Prozess - das Thermische Spritzen - entwickelt wurden im Einsatz. Bei modernen laserbasierten additiven Verfahren führen diese Pulver jedoch zu Prozessinstabilitäten sowie Porositäten und Defekten im Bauteil. Es besteht daher ein dringender Bedarf, die Werkstoffe an diese weit verbreiteten Fertigungsverfahren anzupassen, da lasergestützte Verfahren aufgrund ihres Durchsatzes und ihrer Präzision langfristig als wichtige Produktionsverfahren dominieren werden. Dies erfordert einen grundlegenden Forschungsansatz, der bereits am Anfang der Prozesskette,dem Material, ansetzt.

Ein koordiniertes, kohärentes Forschungsprogramm, das erstmals Materialentwicklung und Photonikforschung zusammenführt und bereits bei der Materialsynthese ansetzt, soll dazu beitragen, dieses erhebliche Potenzial zu erschließen. Um eine Rückkopplung zwischen Prozessverhalten und Materialeigenschaften zu gewährleisten, werden im Rahmen des SPP 2122 Tandemprojekte aus den Bereichen „Materialien“ und „Laserprozesse“ gefördert, die projektübergreifend in verschiedenen Themenclustern zusammenarbeiten.

Das Leibniz-IWT widmet sich diesem Thema mit dem Projekt "CONtrol - Kontaminationstolerante unter- und übereutektische Al-Si-Legierungen für die additive Fertigung" gemeinsam mit der Universität Bremen. Darin wird der Einfluss von Fe-Kontaminationen auf Al-Si-Legierungen untersucht, so dass die Kontaminationen durch angepasste Prozessbedingungen kompensiert werden können.

Das Recycling von Aluminium bringt verschiedene Verunreinigungen mit sich, wie zum Beispiel Eisen. Es ist bekannt, dass Eisen in Aluminiumlegierungen intermetallische Phasen bildet, die bei zu großer Größe zu einer Versprödung des Gesamtmaterials führen können. Die Synthese mit hohen Abkühlungsraten, wie sie bei der additiven Fertigung verwendet wird, kann einen interessanten Recyclingweg bieten. Auf diese Weise könnte sich die additive Fertigung zu einem zentralen Prozess in nachhaltigen, geschlossenen Materialketten entwickeln. In diesem Projekt wird daher der Einfluss von Fe-Kontaminationen auf zwei Al-Si-Legierungen mit Siliziumkonzentrationen von 10 Gew.-% (untereutektisch) und 20 Gew.-% (übereutektisch) untersucht. Während AlSi10 eine gängige Legierung für LPBF ist, wird das Prozessfenster für die Verarbeitung mit steigendem Siliziumgehalt kleiner. Durch eine systematische Variation der Fe-Kontamination kann deren Einfluss auf die thermophysikalischen Eigenschaften, die Schmelzbadbedingungen, die Phasenbildung und die Defektstruktur der gefertigten Bauteile verstanden werden. Ausgehend von der Charakterisierung der additiv gefertigten Proben werden Modelle zur Beschreibung der Schmelzbadcharakteristik, der Mikrostruktur, der Defektentstehung und der mechanischen Eigenschaften entwickelt.

 

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