Verbundprojekt 05P2021 - R&D BESCHLEUNIGER (Hadrolinacs): Pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen (LPBF) - Additive Fertigung neuartiger Komponenten in Teilchenbeschleunigeranlagen

Abstract

Die Anwendung additiver Fertigungstechnologien auf metallische Werkstoffe ermöglichen die Herstellung dreidimensionaler Strukturen mit spezifischen, funktionszentrierten Eigenschaften. Damit können konstruktive Einschränkungen in der Herstellbarkeit, welche durch konventionelle Techniken (Zerspanen, Gießen, Umformen, ...) bestehen, beispielsweise die Fertigung komplexer, hohlwandiger Innenstrukturen, überwunden und aufwändige Nachbearbeitungsschritte stark reduziert werden. Additive Fertigungstechnologien schaffen somit perspektivisch neue Einsatz- und Auslegungsmöglichkeiten von Bauteilen mit eigenschaftsspezifischen Anforderungen. Für beinahe jedes Anwendungsgebiet und jeden Industriezweig können hierdurch passgenaue Metallkomponenten dreidimensional hergestellt werden. Eine zukunftsweisende Technologie ist das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (PBF-LB), welches auch als SLM, Selective Laser Melting (Selektives Laserstrahlschmelzen) bezeichnet wird. Zudem erlauben moderne EM-Simulationstechniken die optimierte Gestaltung von Bauteilen und Strukturen, wie sie als Komponenten in Teilchenbeschleunigeranlagen eingesetzt werden, aus elektromagnetischer, kühlungsspezifischer sowie funktionaler Sicht. Aus den Simulationsergebnissen lassen sich entsprechende Volumenmodelle generieren, mit dem Ziel, diese nahezu originalgetreu mittels PBF-LB herzustellen. Insbesondere Beschleunigerkomponenten weisen hierbei hohe Anforderungen beispielsweise an Formhaltigkeit, Formstabilität, Gefügeeigenschaften oder Vakuumdichtheit auf. Ziel des Vorhabens ist die Erforschung der Möglichkeiten, PBF-LB-gedruckte Strukturen für zukünftige Komponenten in Teilchenbeschleunigeranlagen einsetzbar zu machen. Im Rahmen des ganzheitlichen Ansatzes einer Technologiewertschöpfungskette soll zunächst auf Basis entsprechender Simulationen von einem funktional-zentrierten Design der benötigten Beschleunigerkomponenten ausgegangen werden. Verfahrens-technisch werden Simulationsergebnisse, Design und spezifische Anforderungen in der PBF-LB-basierten Herstellung der Komponenten umgesetzt und deren Qualität bzgl. der funktionalen Eigenschaften untersucht. Im Weiteren werden die Ergebnisse iterativ verbessert, wobei kontinuierlich die gesamte Technologiewertschöpfungskette einbezogen wird. Die Funktions- und Einsatzfähigkeit der hergestellten Komponenten wird am Institut für Angewandte Physik IAP der Goethe Universität Frankfurt in einem kompakten Ionenbeschleuniger bei hohen Frequenzen überprüft. Am Fachgebiet Lasertechnik der THM sollen die verfahrenstechnischen Möglichkeiten und Grenzen von PBF-LB für verschiedene Metalllegierungen und insbesondere hinsichtlich Auflösung und Genauigkeit von Komponenten erforscht werden. Dies bezieht sich in besonderem Maße auf später nicht mehr zugängliche Innenstrukturen, bspw. zur Kühlung oder hochpräziser Bereiche für die Teilchenstrahlführung und -positionierung.