Mit Selective Laser Melting hergestellte Proben aus Aluminium
PBF-LB/M, auch Selective Laser Melting (SLM): Pulverbettbasiertes selektives Laserstrahlschmelzen für metallische Werkstoffe.
Das Institut für Werkstoffe beteiligt sich am SLM-Cluster der Fakultät für Maschinenbau. Die Anlagen und Geräte sind ausschließlich für Forschung und Lehre angeschafft worden. Eine reine Auftragsfertigung ohne Forschungsbezug ist nicht möglich.
Das Institut für Werkstoffe verfügt über eine moderne Beschichtungsanlage. Die Schichten können hier sowohl mittels Plasmaspritzen als auch mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen hergestellt werden. Durch getrennt voneinander ansteuerbare Pulverförderlinien kann die Schichtzusammensetzung auch während des Prozesses geändert werden, so dass auch gradierte Schichten möglich sind.
Das Spritzen der Schichten erfolgt aus Sicherheitsgründen in einer geschlossenen Spritzkabine, die das Bedienpersonal vor der Lärmbelastung und der sehr intensiven UV-Strahlung des Plasmastrahls schützt. Ein Industrieroboter dient als Brennermanipulator, zusätzlich verfügt die Anlage über einen drehbaren Probentisch, so dass auch komplizierte Geometrien beschichtet werden können.
Atmosphärisches Plasmaspritzen (APS)
Beim atmosphärischen Plasmaspritzen (APS) werden Spritzpartikel mit Hilfe eines Plasmastrahls auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht. Ein Plasma ist ein heißes Gas, in dem aufgrund der hohen Temperatur die neutralen Teilchen dissoziieren und ionisieren. Somit befinden sich, im Vergleich zum Gas, auch geladene Teilchen wie Elektronen und Ionen in einem Plasma. Zur Erzeugung eines Plasmas wird im so genannten Plasmabrenner durch eine Hochfrequenzzündung ein Lichtbogen zwischen Kathode und Anode erzeugt. Bei entsprechend gewählter Gaszufuhr bildet sich ein Plasmastrahl mit hohem Wärmeinhalt, der mit hoher Geschwindigkeit gebündelt aus der Düse des Plasmabrenners ausströmt. Die im heißesten Teil des Plasmakegels auftretenden Temperaturen erreichen ca. 30.000 K.
Über einen Injektor wird das zu spritzende Pulver in den Plasmastrahl eingebracht. Als Trägergas (um das Spritzpulver mit der notwendigen kinetischen Energie zum Brenner zu befördern) wird, je nach Prozess, Argon oder Stickstoff verwendet. Nach Einbringen des Pulvers erfolgt ein Wärme- und Impulsübertrag auf die Pulverpartikel, wodurch diese geschmolzen und beschleunigt werden. In Abhängigkeit der gewählten Parameter treffen die Pulverpartikel mit einer gewissen Geschwindigkeit und Temperatur auf das Substrat auf.
HVOF: Beschichtung eines Testsegments für Raketenprüfstandstests
Beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF, von engl. High Velocity Oxygen Fuel) wird das Pulver in eine Kerosinflamme injiziert. Dabei werden Flammtemperaturen von bis zu 3000 K und -geschwindigkeiten von bis zu 2000 m/s erreicht. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist die kurze Verweilzeit der Pulverteilchen in der Flamme und somit eine im Vergleich zu anderen Verfahren deutlich verringerte Oxidation. Außerdem sorgt die hohe Teilchengeschwindigkeit für eine vergleichsweise dichte Schichtstruktur. Die so hergestellten Schichten weisen typischerweise einen Oxid-Anteil und eine Porosität von je < 2% auf.
Werkstoffe für das thermische Spritzen
Grundsätzlich eignen sich alle Keramiken und Metalle, die in Pulverform vorliegen, sich bei den Prozesstemperaturen (s.o.) auf- oder anschmelzen lassen und auch bei den hohen Temperaturen stabil sind.
Probenkammer des Laserprüfstandes. Bildquelle: T. Fiedler (2018), Wärmedämmschichten für Raketentriebwerke, NFL Forschungsbericht 2018-01.
Der Laserprüfstand arbeitet mit einem 3,3 kW-Diodenlaser mit den Wellenlängen 980 nm und 1030 nm. Der Laserstrahl wird über einen Lichtwellenleiter in die Prüfkammer geleitet und über eine Fokussieroptik divergent aufgeweitet. In den Strahlengang des Lasers wird ein Quotientenpyrometer mit den Messwellenlängen 750 µm und 1100 µm eingekoppelt, mit dem die Oberflächentemperatur der Probe in situ gemessen werden kann. Je nach Abstand Laseroptik-Probe ist ein Laserspotdurchmesser von etwa 10 mm bis 30 mm möglich. Daraus ergibt sich, je nach Absorptionsgrad der Oberfläche, eine maximale Wärmestromdichte von etwa 30 MW/m².
Die Laserleistung kann entweder konstant vorgegeben werden oder über eine voreingestellte Solltemperatur der Probenoberfläche geregelt werden. Der Messbereich und damit der Bereich der möglichen Oberflächentemperatur für den geregelten Betrieb beträgt 500°C bis 1500°C.
Nach jedem Laserversuch kann die Probe automatisch in Flüssigkeiten wie z.B. Wasser eingetaucht werden, um auch bei der Abkühlung eine Schockbeanspruchung zu erzielen.
Für die Versuche eignen sich alle Materialien, die die verwendete Laserstrahlung hinreichend absorbieren können, beispielsweise Metalle. Einige keramische Werkstoffe wie beispielsweise Zirkonoxid-Wärmedämmschichten müssen vor dem Versuch geschwärzt werden.
Ein Vorteil des Quotientenpyrometers ist die Messung unabhängig vom Absorptionsgrad der Oberfläche. Dies gilt jedoch nur, wenn der Absorptionsgrad für beide Messwellenlängen gleich ist. Ansonsten muss er entweder gemessen werden, oder es muss für die gemessene Oberflächentemperatur vorab ein Korrekturfaktor bestimmt werden.
