Funktionalisierung der prozessinhärenten Abkühlraten des Laser-Strahlschmelzens zur Verarbeitung metallischer Massivgläser
Die additive Fertigung gilt als eine der Schlüsseltechnologien im Kontext der 4. industriellen Revolution. Darunter ist, zur Verarbeitung von metallischen Materialien, dem pulverbettbasierten Schmelzen von Metallen mittels Laser (PBF‑LB/M) der höchste technologische Reifegrad zuzuordnen. Die geometrischen Freiheiten des Verfahrens bieten zahlreiche Potenziale für Leichtbauapplikation sowie komplexe Bauteil- und Funktionsintegration.
Bis heute ist die Materialpalette jedoch noch stark eingeschränkt. Insbesondere prozessgerechte Materialien, welche Synergien mit den Prozesscharakteristika generieren, beschränken sich auf wenige Exemplare. In dieser Arbeit werden metallische Massivgläser als potenzieller Kandidat zur Funktionalisierung der prozessinhärent hohen Abkühlraten des Verfahrens herausgearbeitet. Metallische Gläser weisen hohe Elastizität von ~2 % gepaart mit großer Festigkeit auf und stellen damit attraktive Konstruktionswerkstoffe für strukturelle Anwendungen dar.
Die vorliegende Arbeit analysiert die Herausforderungen und entwickelt Lösungen zur Verarbeitung metallischer Gläser im PBF-LB/M-Verfahren am Beispiel von Vitreloy 101 (Vit101 - Cu47Ti34Zr11Ni8) und AMZ4 (Zr59,3Cu28,2Al4,6Nb1,5). Der Ablauf der Untersuchungen orientiert sich an der Prozesskette des Verfahrens. Beginnend mit der Pulveranalyse bis hin zur Bestimmung der thermophysikalischen, strukturellen und mechanischen Eigenschaften der hergestellten Probekörper und der messtechnischen Analyse des Prozesses. Dazu wird die Prozessentwicklung begleitet von einer analytischen und empirischen Betrachtung der Laser-Materialinteraktion und den damit vorherrschenden Zeit-Temperaturverläufen im Prozess.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Funktionalisierung der prozess-inhärenten Abkühlraten zur Verarbeitung metallischer Massivgläser im PBF-LB/M-Verfahren möglich ist. Dabei stellt die hohe Sauerstoffverunreinigung der pulverbasierten Prozessroute jedoch eine Herausforderung dar, welche sowohl das Prozessfenster als auch die mechanischen Eigenschaften beeinflussen kann.
Abschließend werden Applikationspotenziale diskutiert und exemplarisch anhand eines Festkörpergelenks vorgestellt.
Additive manufacturing (AM) is considered one of the key technologies in the context of the 4th industrial Revolution. Among AM-technologies, laser powder bed fusion of metals (PBF‑LB/M) features the highest level of technological maturity for processing metallic materials. The geometric freedoms offered by the process offer numerous potentials for lightweight construction applications and complex component and functional integration.
To date, however, the range of materials is still severely limited. Especially materials that exhibit synergies with the process characteristics are rare. Bulk metallic glasses (BMGs) are considered a potential candidate for functionalizing the process-inherent high cooling rates of the process.
The present work analyzes the challenges and develops solutions for processing metallic glasses in the PBF-LB/M process using Vit101 (Cu47Ti34Zr11Ni8) and AMZ4 (Zr59,3Cu28,2Al4,6Nb1,5) as examples. The course of the investigations is oriented to the process chain of the method starting with the powder analysis up to the determination of the thermophysical, structural, and mechanical properties of produced test specimens. The process development is accompanied by an analytical and empirical consideration of the laser-material interaction and the prevailing time-temperature curves in the process. For this purpose, the mathematical Rosenthal model is iteratively extended by temperature-dependent material values. The observations are validated by high-speed ratio pyrometry.
The results show that the functionalization of the process-inherent cooling rates for the processing of metallic solid glasses in the PBF-LB/M process is possible. However, the high oxygen contamination of the powder-based process route poses a challenge, which can affect both the process window and the mechanical properties.
Finally, application potentials are discussed and exemplified through a compliant mechanism. The results show that additively manufactured BMGs such as AMZ4 and Vit101 outperform conventional materials due to their high elasticity of ~2 % coupled with flexural strengths of 2.1 GPa and 2.5 GPa.