Forschung
Für die Arbeitsgruppe Werkstoffwissenschaften steht die Forschung im Mittelpunkt unserer Arbeit und prägt unser Engagement in Lehre und Wissenschaft entscheidend.
Unsere Arbeitsgruppe forscht an Materialien und Prozessabläufen für die pulverbettbasierte additive Fertigung – auch als 3D Druck bekannt – von metallischen Werkstoffen. Bei diesen Fertigungsverfahren wird Metallpulver durch einen Laser- oder Elektronenstrahl in einem schichtweisen Aufbauprozess selektiv verschmolzen. Dies ermöglicht die ressourceneffiziente Herstellung individuell angepasster Bauteile mit komplexen, hochfunktionalen Geometrien. Zusätzlich ist es möglich, die außergewöhnlichen Prozessbedingungen zu nutzen, um neue Werkstoffe mit einzigartiger Mikrostruktur und verbesserten mechanischen Eigenschaften herzustellen.
Unsere Forschungsschwerpunkte sind die Legierungsentwicklung, also die Entwicklung neuer, angepasster Werkstoffe auf Basis thermodynamischer Berechnungen, und die simulationsgestützte Prozessentwicklung, also die Entwicklung von Prozessstrategien um neue Werkstoffe defektfrei verarbeiten zu können. Wir beschäftigen uns mit hochschmelzenden Werkstoffen wie Molybdän und Wolfram, mit Titan- und Aluminiumlegierungen sowie mit Stählen. Für unsere anwendungsnahen Forschungsprojekte arbeiten wir eng mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie zusammen.
Legierungsentwicklung
Die pulverbettbasierte additive Fertigung ist eine Technologie, bei der metallische Werkstoffe unter extremen Temperaturgradienten und hohen Abkühlgeschwindigkeiten erstarren. Während des Aufbauprozesses findet zudem eine Wiedererwärmung des bereits erstarrten Materials statt, was dort zu sehr komplexen Temperaturverläufen führt. Werkstoffe, die ursprünglich für die Anforderungen konventioneller Fertigungsverfahren entwickelt wurden, lassen sich additiv oft nur schwer verarbeiten. Eine Weiter- und Neuentwicklung von Legierungen für die pulverbettbasierte additive Fertigung ist daher unabdingbar, um eine vereinfachte Verarbeitbarkeit und eine Verbesserung der Werkstoffeigenschaften zu erreichen.
Prozessentwicklung
Bei der Prozessentwicklung für die pulverbettbasierte additive Fertigung neuer, aber auch bekannter Werkstoffe ist es das Ziel, das werkstoffspezifische Zusammenspiel von Prozessparametern, Prozessbedingungen und Werkstoffeigenschaften zu verstehen und zu beherrschen. Die Prozessentwicklung erfolgt simulationsgestützt sowohl auf Basis von Sensordaten von Prozessüberwachungswerkzeugen wie einem Inline-Pyrometer oder einer Hochgeschwindigkeitskamera, als auch auf Basis von Ergebnissen aus mikrostrukturellen und mechanischen Bauteilanalysen.
Modellierung und Simulation
Die Modellierung und FEM/VOF-Simulation der additiven Fertigung hat das Ziel, das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen den zahlreichen Fertigungsparametern und den Prozess- und Materialeigenschaften in diesem dynamischen und physikalisch hochkomplexen Prozess zu verbessern. Beispielsweise untersuchen wir die Einflussgrößen auf die Dynamik im sogenannten Schmelzbad oder die Rolle der Prozessatmosphäre und der Pulverqualität, um die Entstehung von Defekten wie Poren zu minimieren. Zudem befassen wir uns mit den Erstarrungsbedingungen sowie mit der Temperaturhistorie, um die mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften unserer Werkstoffe gezielt zu kontrollieren und zu optimieren.
