Forschung
Unsere Forschung steht im Mittelpunkt – und prägt unser Engagement in Lehre und Wissenschaft maßgeblich.
Unsere Arbeitsgruppe forscht an Materialien und Prozessen für die pulverbettbasierte additive Fertigung – allgemein bekannt als 3D-Druck – metallischer Werkstoffe. Bei diesen Fertigungsprozessen wird Metallpulver durch einen Laser- oder Elektronenstrahl in einem schichtweisen Aufbauprozess gezielt verschmolzen. So entstehen Bauteile, die ressourceneffizient, individuell angepasst und in komplexen, hochfunktionalen Geometrien gefertigt werden können. Zusätzlich ermöglichen die spezifischen Prozessbedingungen der additiven Fertigung die Entwicklung neuartiger Werkstoffe mit einzigartigen Mikrostrukturen und optimierten mechanischen Eigenschaften.
Im Mittelpunkt unserer Arbeit stehen die Legierungsentwicklung, also die Entwicklung neuer, angepasster Werkstoffe mithilfe thermodynamischer Berechnungen, sowie die simulationsgestützte Prozessentwicklung, durch die Prozessstrategien für die defektfreie Verarbeitung innovativer Werkstoffe entwickelt werden. Ein besonderer Fokus liegt auf hochschmelzenden Werkstoffen wie Molybdän und Wolfram, Titan- und Aluminiumlegierungen sowie Stählen. Für unsere anwendungsnahen Forschungsprojekte kooperieren wir eng mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie.
Legierungsentwicklung
Bei pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren erstarren Werkstoffe unter extremen Temperaturgradienten und hohen Abkühlgeschwindigkeiten. Im schichtweisen Aufbauprozess erfolgt zudem eine Wiedererwärmung des bereits erstarrten Materials, wodurch komplexe Temperaturverläufe im Bauteil entstehen. Werkstoffe, die ursprünglich für konventionelle Fertigungsverfahren entwickelt wurden, stoßen hier oft an ihre Grenzen und lassen sich nur schwer additiv verarbeiten. Daher ist die Weiter- und Neuentwicklung spezieller Legierungen für die pulverbettbasierte additive Fertigung unerlässlich, um eine vereinfachte Verarbeitbarkeit und optimierte Werkstoffeigenschaften sicherzustellen.
Prozessentwicklung
Ziel der Prozessentwicklung für die pulverbettbasierte additive Fertigung ist es, das werkstoffspezifische Zusammenspiel von Prozessparametern, Prozessbedingungen und Werkstoffeigenschaften präzise zu verstehen und zu kontrollieren – sowohl bei neu entwickelten als auch bei bereits etablierten Materialien. Hierbei setzen wir simulationsgestützte Verfahren ein, die auf Sensordaten von Prozessüberwachungswerkzeugen wie Inline-Pyrometern und Hochgeschwindigkeitskameras basieren. Ergänzt werden diese Daten durch umfassende Analysen der Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften der Bauteile, um eine fundierte Optimierung und Anpassung der Prozessabläufe zu erreichen.
Modellierung und Simulation
Die Modellierung und FEM/VOF-Simulation der additiven Fertigung zielt darauf ab, ein fundiertes Verständnis für die Wechselwirkungen zwischen den zahlreichen Fertigungsparametern und den Prozess- und Materialeigenschaften in diesem dynamischen und physikalisch hochkomplexen Prozess zu erlangen. So untersuchen wir beispielsweise die Einflussfaktoren auf die Dynamik des Schmelzbades sowie die Rolle der Prozessatmosphäre und der Pulverqualität, um Defekte wie Poren gezielt zu vermeiden. Zusätzlich befassen wir uns mit den Erstarrungsbedingungen und der Temperaturhistorie des Materials, um die mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe präzise zu steuern und zu optimieren.
