TY - BOOK

T1 - Metallpulvercharakterisierung und Werkstoffuntersuchungen von Stahlwerkstoffen für den Laser Powder Bed Fusion Prozess

AU - Panzl, Gerhard

N1 - nicht gesperrt

PY - 2020

Y1 - 2020

N2 - Additive Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing, AM) zur Herstellung metallischer Bauteile wie der Laser Powder Bed Fusion Prozess (L-PBF) kommen zum Einsatz, wenn komplexe und multifunktionale Bauteile aus Hochleistungswerkstoffen in kurzer Zeit verfügbar sein müssen. Als Ausgangsmaterial wird sphärisches Metallpulver in einem sehr feinen Partikelgrößenbereich von 15 bis 45 (63) µm eingesetzt. Als Hauptkriterium für den Einsatz eines Stahlwerkstoffs im L-PBF Prozess ist der Kohlenstoffgehalt, respektive das sich während des Bauprozesses einstellende Härtemaximum anzusehen. Weist eine Legierung während der Bau- und Abkühlphase ein hohes Härteniveau auf, besteht die Gefahr der Rissbildung im Gefüge des Werkstoffs. In dieser Arbeit wurden unterschiedlichste Legierungskonzepte, auch mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt, auf ihre Prozessierbarkeit im L-PBF Prozess untersucht. Bei der Möglichkeit riss- und porenfreie Probekörper herzustellen erfolgte die Ermittlung mechanisch-technologischer Kennwerte. Es konnte gezeigt werden, dass bei gegebener Schweißeignung und der Auswahl geeigneter Prozessparameter sowie einer optimierten Wärmebehandlungsstrategie Probekörper mit vergleichbaren Materialeigenschaften wie aus konventionell hergestelltem Material gefertigte Proben erzeugt werden können. Die Streuungen der ermittelten Kennwerte sind dabei äußerst gering. Die Qualität des eingesetzten pulverförmigen Ausgangsmaterials ist ein entscheidender Faktor für die Eigenschaften der produzierten Bauteile. Die Prozessparameter für die Verarbeitung des Pulvers an einer L-PBF Anlage (Schichtstärke, Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Hatchabstand) sind auf jedes Pulver gesondert abzustimmen. Neben der chemischen Zusammensetzung (bestimmt Schmelzpunkt und Erstarrungsintervall) oder optischen Materialeigenschaften (Reflexion, Absorption) haben Pulver- und Partikeleigenschaften einen wesentlichen Einfluss auf die Prozessparameter sowie die Verarbeitungseigenschaften. Grundvoraussetzung für einen ungestörten Bauprozess und qualitativ hochwertige Bauteile ist ein möglichst homogenes und ebenes Pulverbett. Typischerweise werden bei L-PBF Anlagen die einzelnen Pulverschichten mit Hilfe eines mit einer Beschichterklinge ausgestatteten Rakels aufgelegt. Ein Vorteil von additiven Fertigungsverfahren liegt in der Wiederverwendbarkeit des zurückgewonnenen und aufbereiteten Pulverwerkstoffs. Im zweiten Abschnitt dieser Arbeit wurden Pulverwerkstoffe mit Standardverfahren (nach VDI 3405) sowie mit Hilfe rheologischer Untersuchungsmethoden im Neuzustand und nach mehrmaligem Gebrauch analysiert und mit den Ergebnissen der mechanischen Kennwerte von Probekörpern verknüpft. Um die Pulverentwicklung durch den Einsatz im L-PBF Prozess bewerten zu können, wurde ein Stahlpulver in drei Fraktionen getrennt und diese sowie daraus hergestellte Mischungen mit Standardmethoden und rheologischen Verfahren untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass einige zur Beschreibung von Pulvereigenschaften verwendete Standardcharakterisierungsmethoden bei AM-Pulvern nur unzureichende Informationen bieten, um die geforderten guten Fließeigenschaften bewerten zu können. Durch mehrmaligen Gebrauch konnten zwar Veränderungen der Pulvercharakteristik bestimmt werde, auf die mechanischen Eigenschaften der erzeugten Proben hatte dies aber keinen Einfluss. Die in dieser Arbeit angewendeten rheometrischen Untersuchungen liefern reproduzierbare Versuchsergebnisse, die zum einen sehr gute Übereinstimmung mit den Kennwerten der Standarduntersuchungen aufweisen und zum anderen als geeignetes Werkzeug zur Beschreibung des Verhaltens von Pulverschüttungen, auch mit geringen Unterschieden der Pulvercharakteristik, herangezogen werden können. Ihre Eignung zur Beschreibung der Fließfähigkeit, Kompaktierbarkeit, Permeabilität und Zugfestigkeit von feinen Metallpulvern konnte sehr gut gezeigt werden.

AB - Additive Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing, AM) zur Herstellung metallischer Bauteile wie der Laser Powder Bed Fusion Prozess (L-PBF) kommen zum Einsatz, wenn komplexe und multifunktionale Bauteile aus Hochleistungswerkstoffen in kurzer Zeit verfügbar sein müssen. Als Ausgangsmaterial wird sphärisches Metallpulver in einem sehr feinen Partikelgrößenbereich von 15 bis 45 (63) µm eingesetzt. Als Hauptkriterium für den Einsatz eines Stahlwerkstoffs im L-PBF Prozess ist der Kohlenstoffgehalt, respektive das sich während des Bauprozesses einstellende Härtemaximum anzusehen. Weist eine Legierung während der Bau- und Abkühlphase ein hohes Härteniveau auf, besteht die Gefahr der Rissbildung im Gefüge des Werkstoffs. In dieser Arbeit wurden unterschiedlichste Legierungskonzepte, auch mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt, auf ihre Prozessierbarkeit im L-PBF Prozess untersucht. Bei der Möglichkeit riss- und porenfreie Probekörper herzustellen erfolgte die Ermittlung mechanisch-technologischer Kennwerte. Es konnte gezeigt werden, dass bei gegebener Schweißeignung und der Auswahl geeigneter Prozessparameter sowie einer optimierten Wärmebehandlungsstrategie Probekörper mit vergleichbaren Materialeigenschaften wie aus konventionell hergestelltem Material gefertigte Proben erzeugt werden können. Die Streuungen der ermittelten Kennwerte sind dabei äußerst gering. Die Qualität des eingesetzten pulverförmigen Ausgangsmaterials ist ein entscheidender Faktor für die Eigenschaften der produzierten Bauteile. Die Prozessparameter für die Verarbeitung des Pulvers an einer L-PBF Anlage (Schichtstärke, Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Hatchabstand) sind auf jedes Pulver gesondert abzustimmen. Neben der chemischen Zusammensetzung (bestimmt Schmelzpunkt und Erstarrungsintervall) oder optischen Materialeigenschaften (Reflexion, Absorption) haben Pulver- und Partikeleigenschaften einen wesentlichen Einfluss auf die Prozessparameter sowie die Verarbeitungseigenschaften. Grundvoraussetzung für einen ungestörten Bauprozess und qualitativ hochwertige Bauteile ist ein möglichst homogenes und ebenes Pulverbett. Typischerweise werden bei L-PBF Anlagen die einzelnen Pulverschichten mit Hilfe eines mit einer Beschichterklinge ausgestatteten Rakels aufgelegt. Ein Vorteil von additiven Fertigungsverfahren liegt in der Wiederverwendbarkeit des zurückgewonnenen und aufbereiteten Pulverwerkstoffs. Im zweiten Abschnitt dieser Arbeit wurden Pulverwerkstoffe mit Standardverfahren (nach VDI 3405) sowie mit Hilfe rheologischer Untersuchungsmethoden im Neuzustand und nach mehrmaligem Gebrauch analysiert und mit den Ergebnissen der mechanischen Kennwerte von Probekörpern verknüpft. Um die Pulverentwicklung durch den Einsatz im L-PBF Prozess bewerten zu können, wurde ein Stahlpulver in drei Fraktionen getrennt und diese sowie daraus hergestellte Mischungen mit Standardmethoden und rheologischen Verfahren untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass einige zur Beschreibung von Pulvereigenschaften verwendete Standardcharakterisierungsmethoden bei AM-Pulvern nur unzureichende Informationen bieten, um die geforderten guten Fließeigenschaften bewerten zu können. Durch mehrmaligen Gebrauch konnten zwar Veränderungen der Pulvercharakteristik bestimmt werde, auf die mechanischen Eigenschaften der erzeugten Proben hatte dies aber keinen Einfluss. Die in dieser Arbeit angewendeten rheometrischen Untersuchungen liefern reproduzierbare Versuchsergebnisse, die zum einen sehr gute Übereinstimmung mit den Kennwerten der Standarduntersuchungen aufweisen und zum anderen als geeignetes Werkzeug zur Beschreibung des Verhaltens von Pulverschüttungen, auch mit geringen Unterschieden der Pulvercharakteristik, herangezogen werden können. Ihre Eignung zur Beschreibung der Fließfähigkeit, Kompaktierbarkeit, Permeabilität und Zugfestigkeit von feinen Metallpulvern konnte sehr gut gezeigt werden.

KW - Additive Manufacturing

KW - Laser Powder Bed Fusion

KW - Powder Characterization

KW - Powder Rheology

KW - Additive Fertigung

KW - Laser Powder Bed Fusion

KW - Pulvercharakterisierung

KW - Pulverrheologie

M3 - Dissertation

ER -