iwb - Modellierung von Strahl-Stoff-Wechselwirkungen beim Elektronenstrahlsintern (EBS)

Ausgangssituation
Unter den Metall verarbeitenden generativen Fertigungsverfahren verfügt das EBS über ein umfangreiches Anwendungspotenzial. Besonders die leistungsstarke Energiequelle weist mit ihren äußerst kurzen Ansteuerungszeiten sowohl die Möglichkeit einer präzisen Strahlablenkung als auch von sehr hohen Baugeschwindigkeiten auf. Damit können Bauteile aus verschiedenen Metallen mit besonders vorteilhaften Gefügedichten und Festigkeitswerten hergestellt werden. Jedoch bestehen aufgrund der Energiequelle auch physikalisch bedingte Restriktionen. Das vom Laserstrahl unterschiedliche physikalische Wirkprinzip bedingt eine angepasste Prozessführung. Im Besonderen äußern sich diese Effekte im so genannten "Verblasen". Damit wird ein Phänomen bezeichnet, bei dem sich die vom Elektronenstrahl beaufschlagten Pulverpartikel plötzlich in vertikaler Richtung beschleunigt werden, ohne dass bis zu diesem Zeitpunkt thermische Energie in den Pulverwerkstoff übertragen wurde. Im Anschluss kommt es zu einer Fortpflanzung des Effektes und damit zum Abbruch des Bauprozesses.
Ziel des Projektes
Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, das grundlegende Verständnis für die whrend des Elektronenstrahlsinterns auftretenden Strahl-Stoff-Wechselwirkungen zu entwickeln und somit den Einfluss und die Wirkung der maßgeblichen Prozessparameter zu erforschen und gezielt vorhersagen zu können. Der Fokus soll auf naturwissenschaftliche Vorgänge vor, während und nach der Energieeinbringung durch den Elektronenstrahl in den Pulverwerkstoff gelegt werden.
Vorgehensweise
Zur Klärung dieses unerwünschten Effektes wird ein ganzheitlicher Betrachtungsansatz gewählt und die bei der Interaktion von Elektronenstrahl und Pulver relevanten Effekte in Teilprozesse aufgegliedert. Dies sind u.a. thermische, thermodynamische, elektrodynamische, metallurgische Prozesse. Die identifizierten Teilprozesse werden mathematisch-physikalisch beschrieben und daraus Anforderungen an eine optimierte Prozessführung abgeleitet. Sofern eine analytische Lösung nicht oder nicht mit vertretbarem Aufwand möglich ist, erfolgt eine Approximation mithilfe von rechnergestützten, numerischer Methoden.Begleitende experimentelle Untersuchungen sichern die gefundenen Erkenntnis ab. Neben der Modellierung des Gesamtprozesses werden u.a. die folgenden Erkenntnisse erwartet: Steigerung der Prozesssicherheit des Elektronenstrahlsinterns Bestimmung optimierter Parameterfenster Reduktion des Versuchsaufwands für neue Werkstoffsysteme Verringerung von Pulveranhaftungen Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen überdies eine Weiterentwicklung von Anlagenkomponenten, wodurch die Marktrelevanz der eingesetzten Anlage steigt.
Hochgeschwindigkeitsaufnahmen des Effektes "Verblasen"
Phasen des Elektronenstrahlsinterns: zeitliche Diskretisierung
Ergebnisse
Durch die durchgeführten Arbeiten konnten bereits relevante Erkenntnisse in den Bereichen Elektromagnetismus, Impulsübertragung sowie Thermodynamik gewonnen werden. Es wurde gezeigt, dass der Coulomb-Effekt einen signifikanten Beitrag zur gegenseitigen Abstoßung einzelner geladener Pulverpartikel unter Elektronenstrahlbeeinflussung leistet. Damit konnten gezielte Gegenmaßnahmen zur Steigerung der Prozesssicherheit implementiert werden, welche neben Änderungen der Prozessführung auch Anlagenmodifikationen sowie Werkstoffoptimierungen zur Folge hatten. Im Besonderen konnte durch ein ausgeprägtes Vorheizen des Pulverwerkstoffs der Effekte des "Verblasen" stark reduziert werden. Dies führt nach dem Bauprozess jedoch zu starken Pulveranhaftungen am Bauteil, wodurch ein erhöhter Nacharbeitaufwand resultiert. Die weiteren Arbeiten werden u.a. darauf abzielen, neue Lösungen zwischen den gegebenen Grenzen aufzuzeigen.
Status	laufend
Laufzeit	seit 11/2006
Letzte Aktualisierung	01.09.2007
Partner
Förderer
Veranstaltungen	Rapid Manufacturing Seminar, iwb Anwenderzentrum Augsburg Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin/Texas International Conference on Advanced Research in Virtual and Rapid Prototyping, Leiria/Portugal Rapid Tech, Erfurt
Veröffentlichungen
Kahnert, M.; Lutzmann, S.; Zäh, M. F.: Layer Formations in Electron Beam Sintering. In: Bourell, D. L. et al. (Hrsg.): Solid Freeform Fabrication Symposium Proceedings 18; Austin,Texas/USA. The University of Texas at Austin 2007. Zäh, M. F.; Lutzmann, S.; Branner, G.: Investigations of the Energy Input of Different Metal Processing, Additive Layer Manufacturing Methods. In: Bártolo, P. (Hrsg.): 3rd International Conference on Advanced Research in Virtual and Rapid Prototyping; Leiria/Portugal. 2007. Sigl, M.; Zäh, M. F.; Lutzmann, S.: Transient Physical Effects in Electron Beam Sintering. In: Bourell, D. L. et al. (Hrsg.): Solid Freeform Fabrication Symposium Proceedings 17; Austin,Texas/USA 14. - 16.8.2006. The University of Texas at Austin 2006, S. 397-405. Zäh, M. F.; Straßer, G.; Branner, G.; Lutzmann, S.: Untersuchung und Simulation der Energieeinkopplung bei Metall verarbeitenden generativen Verfahren. Rapid.Tech Fachmesse und Anwendertagung für Rapid-Technologien. Erfurt 22. - 23.5.2007, S. 36. Lutzmann, S.; Kahnert, M.; Sigl, M.: Elektronenstrahlsintern als Zukunftstechnologie im Rapid Tooling. In: Zäh, M. F. et al. (Hrsg.): Rapid Manufacturing: Heutige Trends- Zukünftige Anwendungsfelder; Augsburg 6.7.2006. München: Utz 2006, S. 7-1 - 7-26. (iwb Seminarberichte 81).
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