Mitarbeiter beim Einsetzen einer Probe in unsere Levitationsanlage
Mit der elektrostatischen Levitationsanlage wird Eigenschaften von geschmolzenen Materialien sowie deren Erstarrungsverhalten, insbesondere im unterkühlten Zustand untersucht. Daten zu diesen thermophysikalischen und mikroskopischen Eigenschaften bilden wichtige Grundlagen für umfangreiche Simulationen im Materialdesign.
Mittels Pulverbett-basiertem Laserschmelzen (PBF-LB/M oder LPBF) werden Bauweisen für die Luft- und Raumfahrt umgesetzt wie z.B. der hier gezeigte Kupfer-Liner für Raketenantriebe. Dazu werden Prozesse und Fertigungsketten entwickelt, Prozessüberwachungsverfahren eingesetzt und die hergestellten Materialien und Bauteile charakterisiert bzw. nicht-zerstörend geprüft.
Zur Beschleunigung der Entwicklungszeiten, zur Verringerung der Herstellungskosten und des Gewichtes von Komponenten in der Luft- und Raumfahrt sowie zur Steigerung von Funktionalität und Leistungsfähigkeit werden unter anderem metallische Werkstoffe und Strukturen, deren Herstellungstechnologien sowie geeignete Verbindungsverfahren erforscht. Dies umfasst zum Beispiel Legierungen für Antriebstechnologien oder Hochtemperaturanwendungen und Leichtmetalle für den strukturellen Leichtbau. Stoffschlüssige Fügetechnologien vor allem zum strukturellen Verkleben mit anderen Metallstrukturen oder Faserverbundwerkstoffen sind dabei ein Enabler für Einsatz im Strukturleichtbau.
Schnelle Legierungsentwicklung
In diesem Bereich werden daten-zentrierte Methoden wie maschinelles Lernen für die Entwicklung und Analyse neuer Legierungen erforscht. Vor allem die Entwicklung und Charakterisierung von Leichtbau- und Hochtemperaturlegierungen für die Luft- und Raumfahrt spielen eine zentrale Rolle. Die neuen Legierungen werden unter anderem speziell für additive Fertigungsverfahren mit ihren hohen bis sehr hohen Abkühlraten entwickelt, hergestellt und zum Einsatz auf dem Boden oder im Weltraum erprobt. Die enge Verknüpfung mit der Untersuchung von Schmelz- und Erstarrungsprozessen, von Verarbeitungs- und Nachbehandlungsverfahren, und der mikroanalytischen und werkstoffmechanischen Charakterisierung erlaubt eine umfassende Betrachtung bereits während der Entwicklung neuer Werkstoffe.
Schmelzeigenschaften
Der weitaus größte Anzahl der für die Anwendung interessanten Strukturmaterialien besitzt den ‘festen’ Aggregatzustand. Ihre Herstellung, und meist auch ihre Verarbeitung involviert jedoch das Aufschmelzen in einen flüssigen Zustand. Der Werkstoff und seine Eigenschaften werden daher durch den Erstarrungsprozess erzeugt, in dem sich die Atome in der Regel „ordnen“. Die Erforschung der Schmelzeigenschaften befasst sich mit Massentransport, Relaxationsphänomenen sowie thermophysikalischen Eigenschaften von flüssigen Metallen und Oxiden. Ziel ist es, die grundlegenden physikalischen Mechanismen zu identifizieren und zu verstehen, die diese Eigenschaften im flüssigen Zustand und in ungeordneten Systemen bestimmen. Diese Ergebnisse sind wichtige Informationen für großskalige Simulationen im Materialdesign, z.B. für die Vorhersage der Bildung von Mikrostrukturen während der Erstarrung in Gießprozessen und der additiven Fertigung, oder des Reaktionsverhaltens zwischen Feststoff und Flüssigkeit .
Erstarrung
Ein genaues Verständnis der Erstarrungsprozesse und der zu Grunde liegenden Thermodynamik, der Keimbildung und des Kristallwachstumsprozesse ist essentiell, um neue Legierungen entwickeln, Werkstoffeigenschaften einstellen und Verarbeitungs- und Recyclingprozesse optimieren zu können. Detaillierte Erstarrungsexperimente und Materialcharakterisierung im Labor und am Synchrotron ermöglichen der Abteilung dieses Verständnis. Die Erstarrung spielt eine zentrale Rolle bei Urformprozessen wie den Gusstechnologien und der additiven Fertigung. Die Entstehung der Mikrostruktur und etwaig auftretende Verarbeitungsprobleme lassen sich auf die Erstarrungs- und Phasenumwandlungsprozesse zurückführen, was gezielte Lösungsansätze durch Prozessführung oder Legierungsanpassung abzuleiten erlaubt.
Additive Fertigung von metallischen Komponenten
Die Forschung und Entwicklung im Bereich metallischer Verarbeitungsverfahren konzentriert sich auf additive Fertigungsprozesse. Neben der Entwicklung neuer Legierungen, die speziell auf die metallurgischen Bedingungen des pulverbettbasierten Laserschmelzens (PBF-LB/M bzw. LPBF), des laser-basierten Pulverauftragsschweißens (L-DED/p) und der Drahtauftragsschweißtechnologie (L-DED/w) ausgerichtet sind, werden insbesondere die in der Luft- und Raumfahrt etablierten Legierungen für Triebwerks- und Strukturanwendungen betrachtet. Die Expertise umfasst die Entwicklung von Verfahren und Fertigungsketten, die Bauteilherstellung, Wärme- und Oberflächennachbearbeitungen sowie die Material- und Bauteilcharakterisierung.
Grenzflächenforschung für stoffschlüssige Fügeverfahren und hybride Werkstoffe
Moderne Leicht- und Funktionsbauweisen sind optimierte Multimaterialdesigns, die über unterschiedliche Fügestellen mit Übergängen von einem Werkstoff zu einem anderen oder sogar einer anderen Materialklasse bestehen. Die Arbeiten beziehen sich in diesem Bereich auf das strukturelle Kleben von Metall und Faserverbundkunstoffen oder Polymeren, das stoffschlüssige Fügen unterschiedlicher Metallkomponenten und das Verschweißen oder Verkleben von Faserverbundkunststoffbauweisen. Teil der Forschungsarbeiten in diesem Bereich sind auch die Fügezonen von Lötverbindungen und Verbundwerkstoffe.
Nutzerunterstützung
Die Materialwissenschaftsforschung an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) stützt sich auf den Elektromagnetischen Levitator (EML; installiert im europäischen Columbus-Modul der ISS) und das Materialwissenschaftliche Labor (MSL). Beide Experimentalplattformen zielen auf Forschungen in den Bereichen Erstarrung, Kristallwachstum und Diffusion sowie auf die thermophysikalischen Eigenschaften von Metallen ab. Die Vorbereitung, Durchführung und Auswertung der ersten Experimentserien im Weltraum werden durch die Abteilung innerhalb des DLR-Mikrogravitationsnutzerunterstützungszentrums koordiniert.
schnelle Entwicklung und Charakterisierung von Leichtbau- und Hochtemperaturlegierungen für die Luft- und Raumfahrt
