Technologie

Mehr Vielfalt im 3D-Druck

27.07.2022 - Pulverbaukasten erweitert Möglichkeiten des Laserstrahlschmelzens.

Bei konventionellen Produktions­prozessen gibt es hunderte verschiedene Stähle, Aluminium­legierungen, verschleiß­feste Kobalt-Chrom-Legierungen und vieles mehr für jede spezifische Anwendung. Im 3D-Druck beschränkt sich die Auswahl über alle metallischen Werkstoffe auf weniger als dreißig Materialien, sodass nicht alle Anfor­derungen abgedeckt werden können. Mit dem Pulver­baukasten für pulver­basiertes Laserstrahl­schmelzen (LPBF), der beispielsweise aus Eisenbasis­pulver mit und ohne Kohlenstoff, Chrom, Nickel, Molybdän und Titancarbid besteht, lässt sich die Werkstoffpalette spezifisch erweitern. Entwickelt wurde er am Fraunhofer-Institut für Fertigungs­technik und Angewandte Material­forschung IFAM in Zusammenarbeit mit der RHWT Aachen.

Zu den häufig geforderten Material­eigenschaften zählen Korrosions­beständigkeit, Festigkeit, Härte und Wärmeleit­fähigkeit. Viele Stahllegierungen bestehen aus denselben Elementen wie Kohlenstoff, Chrom und Nickel, unterscheiden sich jedoch in den jeweiligen Anteilen. Das entwickelte Verfahren beinhaltet die Wahl der Legierungs­zusammensetzung ausgehend vom spezifischen Anforderungs­profil des Werkstoffs, die Festlegung der Pulver­zusammensetzung mittels thermo­dynamischer Simulations­methoden und die Pulveraufbereitung durch angepasste Misch- und Homogenisierungs­verfahren. Anschließend werden die optimalen Prozess­parameter bestimmt und der so erzeugte Werkstoff durch mikro­strukturelle Charak­terisierung und Prüfung der mechanischen Eigen­schaften qualifiziert.

Ist das Pulver gemischt, entsteht die Legierung durch den anschließenden Laserstrahl­schmelzprozess. Durch die Energie des Lasers schmelzen die Metallpulver­partikel auf und vermischen sich zur gewünschten Legierung. Am Ende des Prozesses steht das fertige Bauteil mit maßgeschnei­derten Material­eigenschaften. Als erste konkrete Anwendung innerhalb des Projekts galt es maßgeschneiderte, korrosions­beständige Edelstähle für gezielt eingestellte Eigenschafts­profile durch Legieren im Pulverbau­kasten herzustellen. Während der Entwicklungs­arbeiten wurden die Einflussfaktoren, die eine gute korrosions­beständige Legierungsbildung begünstigen, identifiziert und die Güte der Legierung anwendungs­orientiert geprüft. Im Ergebnis konnte gezeigt werden, dass die im LPBF-Prozess legierten korrosions­beständigen Werkzeug- und Duplexstähle resistenter sind als das jeweilige Basispulver und sie ihre gewünschten Ziel­eigenschaften erreicht haben.

Ein weiterer Vorteil bietet sich durch die Möglichkeit, das Gefüge mittels angepassten Laser­parametern einzustellen. Ein Beispiel dafür sind die unter­schiedlich großen Karbide in der Struktur der Werkzeug­stähle. Je nach Einsatzgebiet werden verschiedene Größen benötigt. Mit dem entwickelten Pulverbau­kasten lassen sich diese effizient variieren und zu homogenen Bauteilen verarbeiten. Die Ergebnisse dieses Teilprojekts können auf Nachfrage zur Verfügung gestellt werden. Von dem Forschungs­vorhaben profitieren insbesondere Unter­nehmen, die hoch flexibel sein müssen und verschiedene Kunden mit unterschiedlichen Anforderungs­profilen beliefern. Dazu zählen insbesondere Produktions­dienstleister, die meist zu den kleinen und mittel­ständischen Unternehmen gehören.

Die Produktion von Metallpulvern dauert im Normalfall vier Wochen. Möchte ein Produzent verschiedene Materialien mit geringen Mengen abdecken, wachsen die Wartezeiten enorm. Sind die Grundmaterialien einmal beschafft, können durch den Pulver­baukasten gewünschte Material­eigenschaften eingestellt und die Produktion bei potenziellen Liefer­engpässen sichergestellt werden. Nächste Entwicklungs­schritte sind die automatisierte Berechnung und Einstellung der Pulver­mischung für die spezifische Produkt­entwicklung. 

Fh.-IFAM / JOL

Weitere Infos

Webinar: Thermische Modellierung von Lasern in Fertigungsprozessen

Dienstag, 11.10.2022
14:00 Uhr CEST

Zur Registrierung

Jobbörse für Physikerinnen und Physiker

06.-09.09.2022
Eine Kooperation von Wiley und der DPG.

 

Jetzt kostenfrei anmelden

Webinar: Thermische Modellierung von Lasern in Fertigungsprozessen

Dienstag, 11.10.2022
14:00 Uhr CEST

Zur Registrierung

Jobbörse für Physikerinnen und Physiker

06.-09.09.2022
Eine Kooperation von Wiley und der DPG.

 

Jetzt kostenfrei anmelden