Ass.-Prof. Dr. Lukas Kaserer
Werkstoffwissenschaften mit Schwerpunkt Mechatronik
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.
Blick in eine Laser Powder Bed Fusion Anlage am Ende des Fertigungsprozesses. In dieser Anlage wird Metallpulver mit Hilfe eines Hochleistungslasers in einem schichtweisen Aufbauprozess zu Bauteilen verschmolzen.
Bei pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren erstarren metallische Werkstoffe unter extremen Temperaturgradienten und hohen Abkühlgeschwindigkeiten. Im schichtweisen Aufbauprozess erfolgt zudem eine Wiedererwärmung des bereits erstarrten Materials, wodurch komplexe Temperaturverläufe im Bauteil entstehen. Werkstoffe, die ursprünglich für konventionelle Fertigungsverfahren entwickelt wurden, stoßen hier oft an ihre Grenzen und lassen sich nur schwer additiv verarbeiten. Daher ist die Weiter- und Neuentwicklung spezieller Legierungen für die pulverbettbasierte additive Fertigung unerlässlich, um eine vereinfachte Verarbeitbarkeit und optimierte Werkstoffeigenschaften sicherzustellen.
Blick in das Labor der Arbeitsgruppe für Werkstoffwissenschaften.
Ziel der Prozessentwicklung für die pulverbettbasierte additive Fertigung ist es, das werkstoffspezifische Zusammenspiel von Prozessparametern, Prozessbedingungen und Werkstoffeigenschaften präzise zu verstehen und zu kontrollieren – sowohl bei neu entwickelten als auch bei bereits etablierten Materialien. Hierbei setzen wir simulationsgestützte Verfahren ein, die auf Sensordaten von Prozessüberwachungswerkzeugen wie Inline-Pyrometern und Hochgeschwindigkeitskameras basieren. Ergänzt werden diese Daten durch umfassende Analysen der Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften der Bauteile, um eine fundierte Optimierung und Anpassung der Prozessabläufe zu erreichen.
Ergebnis einer VOF-Simulation des Laser Powder Bed Fusion Prozesses.
Die Modellierung und FEM- und VOF-Simulation der additiven Fertigung zielt darauf ab, ein fundiertes Verständnis für die Wechselwirkungen zwischen den zahlreichen Fertigungsparametern und den Prozess- und Materialeigenschaften in diesem dynamischen und physikalisch hochkomplexen Prozess zu erlangen. So untersuchen wir beispielsweise die Einflussfaktoren auf die Dynamik des Schmelzbades sowie die Rolle der Prozessatmosphäre und der Pulverqualität, um Defekte wie Poren gezielt zu vermeiden. Zusätzlich befassen wir uns mit den Erstarrungsbedingungen und der Temperaturhistorie des Materials, um die mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe präzise zu steuern und zu optimieren.