Anlage zur additiven Fertigung durch Laserstrahlschmelzen von Metallen im Pulverbett mit kleinem Bauraum
Final Report Abstract
Auf der Anlage zur Additiven Fertigung (3-D Druck) durch Laserstrahlschmelzen (LSS) von Metallen im Pulverbett mit kleinem Bauraum wurden am Lehrstuhl für Photonische Technologien (LPT) grundlagenwissenschaftliche Experimente in öffentlich geförderten Projekten durchgeführt. Im Fokus lag die Erweiterungen der Verständnisse von Zusammenhängen zwischen Pulvern, Prozess und Produkten. Untersuchungsgegenstände waren v. a. Legierungen, die zuvor nicht oder nur eingeschränkt im LSS verarbeitet werden konnten sowie am LPT modifizierte und gemischte Pulver. Im SFB 814 A5 (DFG) wurde weltweit erstmalig gezeigt, dass und wie sich im LSS nicht nur die Al-Si-Gußlegierungen sondern auch nicht schweißgeeignete hochfeste und -zähe Aluminium-Kupfer-Knetlegierungen wie EN AW-2022, 2024, 2219 und 2618A mit hohen relativen Dichten verarbeiten lassen. Abhängigkeiten der Bildung von Rissen vom Prozess und Strategien zur Rissvermeidung wurden gefunden. Je nach Belichtung konnte die Anisotropie der Gefüge variiert werden. Mechanische Eigenschaften mit und ohne Wärmebehandlung wurden charakterisiert. Anhand amorph erstarrender Legierungen wurde gezeigt, dass sich durch geeignete Wahl der Belichtungsstrategien innerhalb eines Bauteils der Erstarrungsmodus zwischen bevorzugt kristallin oder amorph und in Folge dessen auch mechanische Eigenschaften gezielt variieren lassen. Eine Grundlage für LSS ist die Homogenität dünner Pulverschichten, was bei Aluminium im Vergleich zu anderen Werkstoffen besonders herausfordernd ist. Es wurde gezeigt, dass sich durch trockenes Adhärieren verschiedener nanoskaliger Partikel auf mikroskaligen Aluminiumpartikeln gleichmäßigere Schichten aufziehen lassen. Dies erlaubt Partikel < 20 µm oder auch nichtsphärische Partikel aus Aluminium zu bearbeiten. Mit Nanopartikeln anderer chemischer Zusammensetzung als die Mikropartikel konnten Legierungen und Metall-Matrix-Verbunde hergestellt werden. Bestimmende Einflussgrößen für das Legieren von Mischungen elementar reiner mikroskaliger Pulver wurden am System Al-Cu, das wegen der um den Faktor 3,3 auseinanderliegenden Dichte besonders stark zur Entmischung neigt, bestimmt. Erzeugnisse wurden metallographisch, in Zugversuchen und insbesondere hinsichtlich chemischer Homogenität charakterisiert. Der Einfluss unterschiedlicher Intensitätsprofile des Laserstrahls auf die Prozessdynamik und Erstarrungskinetik wurde untersucht. Die Kenntnis der vorliegenden dreidimensionalen Intensitätsverteilung ist dazu erforderlich, was mit dem Strahlanalysegerät auch bei hohen Intensitäten im Dauerstrichbetrieb möglich ist. Es wurde gezeigt, dass die Prozessdynamik nicht nur von der lokalen Spitzenintensität abhängt, sondern von der räumlichen Verteilung der eingebrachten Laserleistung. Durch gezielte Anpassung der Intensitätsverteilung mit optischen Elementen ist eine Beeinflussung der Schmelzbadgröße und -form möglich. Im Speziellen konnte die Prozessdynamik maßgeblich verringert und die Geometrie der Erstarrungsfront manipuliert werden. In Teilprojekt 2 ForNextGen (Bayerische Forschungsstiftung) wurden hochfeste, -kohlenstoffhaltige und rissgefährdete Stähle im LSS untersucht, u. a. 1.2343, FeCrV15-P und wasserverdüstes Fe4800 mit nichtsphärischen Partikeln. Nanopartikulärer Kohlenstoff konnte mit Fe4800 beim LSS einlegiert und durch Martensitbildung die Härte gesteigert werden – ein Transfer von Erkenntnissen aus TP A5 des SFB 814. Das Projekt GenNiTiF (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie) widmete sich Nickel-Titan Formgedächtnislegierungen für den Aufbau von Aktoren. Hierbei wurde sowohl die Verarbeitbarkeit von vorlegierten Nitinol Pulvern als auch die in-situ Legierungsbildung aus elementaren Nickel- und Titan-Pulvern untersucht. Im Projekt LSS von Selten-Erd-Magnetwerkstoffen (Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie) wurde die Verarbeitbarkeit von FeNdB im LSS zu Proben hoher Dichte nachgewiesen und die magnetischen Eigenschaften charakterisiert. Folgende Gerätemerkmale erwiesen sich als besonders vorteilhaft: höhere erreichbare Intensität im Laser-Spot als bei anderen LSS-Anlagen - Zugänglichkeit aller Prozessstellgrößen - sehr geringe Mindestmenge an Pulver durch den kleinen Bauraum und den Pulver- Auftragsmechanismus ohne Überlauf - schnelle Pulverwechsel mit geringem Stillstand der Anlage durch einfache Reinigung - präzise Vermessung der 3-D Intensitätsverteilung von Laserstrahlen bei hoher Intensität, regelmäßige Strahlvermessung zur Sicherstellung der Versuchsbedingung - volle Flexibilität bei Datenvorbereitung und Supportkonstruktion.
Publications
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- In-situ-Legierungsbildung beim Laserstrahlschmelzen von Metallen aus Mischungen elementar reiner Pulver. Tagungsband zum 4. Industriekolloquium des Sonderforschungsbereichs 814 Additive Fertigung, 10.12.2015, Nürnberg.
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- Laser Beam Melting in Powder Bed of nonspherical aluminium microparticles dry coated with metal nanoparticles. 6th International Conference on Additive Technologies (Nürnberg, 11/29/16 - 11/30/16)
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