UltraGRAIN

Motivation

Das UltraGRAIN-Projekt ist eine Gemeinschaftsarbeit von Fraunhofer IWS, Fraunhofer IAPT und der RMIT University, die darauf abzielt, die additive Fertigung (AM) von Metallen durch innovative Techniken des grain engineering (gezielte Beeinflussung der Kornstruktur) voranzutreiben. Die additive Fertigung transformiert die globale Industrie mit einer prognostizierten Wachstumsrate von 24 % pro Jahr, die bis 2027 über 41 Milliarden US-Dollar erreichen soll. Dieses Wachstum wird durch das Potenzial angetrieben, bestehende Produkte neu zu gestalten und neue zu schaffen, um zukünftigen gesellschaftlichen Bedürfnissen gerecht zu werden. Unter den verschiedenen AM-Technologien haben laserbasierte Prozesse wie das Laser-Auftragschweißen (DED-LB/M) und das pulverbettbasiertes Schmelzen von Metall mittels Laserstrahl (PBF-LB/M) in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobil und Biomedizin erhebliche Akzeptanz gefunden.

Die Motivation für das UltraGRAIN-Projekt ergibt sich aus der Notwendigkeit, die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Bildung ungünstiger Mikrostrukturen, wie z.B. säulenförmigen Körnern, in der metallischen additiven Fertigung zu bewältigen. Diese Mikrostrukturen können die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen, und obwohl die Gründe für ihr Auftreten bekannt sind, war die Optimierung der AM-Parameter zur Überwindung dieses Problems bisher nur begrenzt erfolgreich und erfordert oft Kompromisse.

Ziele und Vorgehen

Das Projekt untersuchte bisher den Einsatz von sowohl Ultraschall als auch kurz gepulsten Lasern zur Beeinflussung der erhaltenen Mikrostruktur in DED-LB/M. Ultraschall zeigte begrenzte Möglichkeiten zur Kornverfeinerung sowie Probleme mit Prozessstabilität und Skalierbarkeit. Im Gegensatz dazu erwies sich der Einsatz eines sekundären kurz gepulsten Lasers in DED-LB/M als fähig, Schockwellen im Schmelzbad zu erzeugen, die die erhaltene Mikrostruktur verfeinern, indem sie den Erstarrungsprozess beeinflussen. Um das volle Potenzial des lokalisierten grain engineering auszuschöpfen und die technologische Lösung zu industrialisieren, werden mehrere herausfordernde Aufgaben angegangen:

• Ein tieferes Verständnis der Physik hinter der durch den gepulsten Laser induzierten Schockwellen
• Verständnis, wie diese Schockwellen die Keimbildung und das Kornwachstum während der Erstarrung beeinflussen
• Entwicklung eines Simulationsmodells zur Vorhersage der Kornentwicklung
• Entwicklung von Entwurfsrichtlinien für mechanische Komponenten, die grain engineering in den Designprozess integrieren