Elektronenstrahlschmelzen Hochleistungsbauteile mit lokal eingestellten Materialeigenschaften drucken

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Im Forschungsprojekt „AMELI“ sollen durch ein voxel-basiertes Materialdesign völlig neue Möglichkeiten für die elektronenstrahlbasierte additive Fertigung erschlossen werden. Bauteile aus Superlegierungen könnten dann verschiedene Eigenschaften an unterschiedlichen Stellen besitzen.

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(Bild: ©SantaPa design - stock.adobe.com)

Seit 15 Jahren forscht die Werkstoffwissenschaftlerin Prof. Dr. Carolin Körner von der FAU Erlangen-Nürnberg an der additiven Fertigung von Hochleistungsbauteilen mittels hochenergetischer Elektronenstrahlen. Werkstoffbasis ist ein Bett aus Metallpulver, das sich beispielsweise aus Nickelbasislegierungen oder Titanaluminiden zusammensetzt. Der wesentliche Vorteil gegenüber der Lasertechnologie sei, dass der Elektronenstrahl trägheitsfrei im Vakuum mit Geschwindigkeiten von bis zu 10.000 Metern pro Sekunde bewegt und damit wesentlich flexibler als ein Laser gesteuert werden kann. So ist er Heizung, Werkzeug und Analysegerät in einem.

Ein Material – unterschiedliche Eigenschaften

Laut Körner erlaubt die elektronenstrahlbasierte additive Fertigung ein voxel-basiertes Materialdesign. Auf diese Weise werde es möglich, verschiedene Bereiche eines Bauteils mit unterschiedlichen Eigenschaften auszustatten, wie z.B. duktil und rissbeständig oder hart und temperaturresistent. Solche unterschiedlichen Materialeigenschaften können durch gezieltes Verdampfen bestimmter Legierungselemente oder durch die kontrollierte Einstellung der Kristallstruktur erreicht werden.

Voraussetzung für das voxel-basierte Materialdesign ist die vollständige Kontrolle der lokalen thermischen Bedingungen. Hier spiele das Verfahren seinen wesentlichen Vorteil aus: die fertigungsbegleitende Analyse analog zu einem Rasterelektronenmikroskop, die jeden Prozessschritt genauestens überwacht. Dabei liefert die Elektronensonde nicht nur Informationen über den hochdynamischen Prozess und die Bauteilqualität, sondern auch über die lokale Materialzusammensetzung selbst in tieferliegenden Schichten, heißt es.

Ergebnisse in fünf Jahren erwartet

Im Projekt „Voxel Based Material Design: Amalgamation of Additive Manufacturing and Scanning Electron Microscopy“ (AMELI) sollen nun die neuen Möglichkeiten in den nächsten fünf Jahren erschlossen werden. Carolin Körner erhält dafür vom Europäischen Forschungsrat eine außerordentliche Förderung von drei Millionen Euro.

Die bahnbrechende Kombination aus lokal einstellbaren Materialeigenschaften und Konstruktionsfreiheit verschiebt die Leistungsgrenzen von Bauteilen aus Hochleistungslegierungen.

Prof. Dr. Carolin Körner, Inhaberin des Lehrstuhls für Werkstoffkunde und Technologie der Metalle an der FAU

Damit werde die additive Fertigung zunehmend für den Flugzeugbau interessant. Auch könne sie dazu beitragen, den Wirkungsgrad von Gasturbinen an Land zu steigern oder den Ausbau der Wasserstofferzeugung zu beschleunigen.

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