Optimization of Laser Powder Bed Fusion Process Parameters for Printing Zr-based Bulk Metallic Glass by an In-House Developed Semi-Analytical Model

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

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Abstract

Laserstrahlschmelzen (englisch: Laser Powder Bed Fusion, LBPF) ist eine revolutionäre Technologie, die in jüngster Zeit als ideale Herstellungsmethode für massive metallische Gläser auf Zr-Basis (englisch: bulk metallic glasses, BMG) anerkannt wurde. Die derzeit modernsten Herstellungsverfahren, das Lichtbogenschmelzen und der Kupferformguss, sind bei der Realisierung komplexer Geometrien eingeschränkt, während das additive LPBF mehr Flexibilität bietet. Darüber hinaus ermöglicht LPBF ein feines Gleichgewicht zwischen der Erzeugung feiner Details und der Aufrechterhaltung angemessener Kühlraten während des gesamten Prozesses. Diese Studie konzentriert sich auf die Optimierung der Prozessparameter einer bestimmten, additiv hergestellten Zr-Basislegierung, AMZ4, aufgrund ihrer überlegenen Eigenschaften und ihrer kommerziellen Verfügbarkeit, mit dem Ziel, ihre mechanischen und thermischen Eigenschaften zu verbessern. Es wird eine vorläufige Analyse der Parameterauswahl durchgeführt, die die Beziehung zwischen Energiedichte und Porosität aufzeigt. Anschließend werden mehrere Experimente, darunter die dynamisch-mechanische Analyse (DMA), die dynamische Differenzkalorimetrie (englisch: differential scanning calorimetry, DSC) und die Rasterelektronenmikroskopie (SEM), an einer reduzierten Probengröße durchgeführt. Es werden wertvolle Erkenntnisse über die Glasumwandlungseigenschaften, das ß-Relaxationsverhalten und die Mikrostruktur der Proben gewonnen. Mittels eines selbst entwickelten, halbanalytischen Simulationsalgorithmus, werden die thermischen Abläufe für einspurige sowie mehrspurige, mehrschichtige LPBF-Simulationen berechnet. Das Modell ist mit einer Funktion gekoppelt, die den Kristallinitätsgrad mit Hilfe des Euler-vorwärts-Verfahrens auswertet und so wichtige Informationen über das Vorhandensein von Kristallphasen in der Mikrostruktur liefert. Auf diese Weise lässt sich der Umfang der erforderlichen zeitintensiven Laborexperimente erheblich verringern. Anhand der zehn getesteten Proben zeigt die Studie, dass Energiedichten von weniger als 50J/mm3 erforderlich sind, um eine optimale thermische Stabilität zu erreichen, und dass Energiedichten von weniger als 40J/mm3 den amorphen Anteil erhöhen. Die Ergebnisse stützen die theoretischen Behauptungen, dass niedrigere Energiedichten zu einem höheren amorphen Anteil führen, was wiederum zu verbesserten mechanischen Eigenschaften einschließlich der Duktilität führt. Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass BMGs auf Zr-Basis vielversprechende technische Werkstoffe mit potenziellen Anwendungen in der Medizinindustrie darstellen und dass additive Fertigungsverfahren wie LPBF den BMG-Fertigungsprozess verbessern können, indem sie die Erzeugung feiner Strukturen und die Aufrechterhaltung angemessener Kühlraten ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sollen zu einer breiteren Anwendbarkeit von AMZ4 beitragen und die Entwicklung ähnlicher fortschrittlicher Materialien beschleunigen.

Details

Titel in ÜbersetzungOptimierung der Prozessparameter für das Laserstrahlschmelzen von massivem metallischen Glas auf Zr-Basis mithilfe eines halbanalytischen Simulationsmodells
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung15 Dez. 2023
DOIs
StatusVeröffentlicht - 2023