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Schnellere Pulverherstellung für SLM

| Autor/ Redakteur: Gregor Graf / Simone Käfer

Wer will schon Monate auf seine erste Prüfcharge warten? Rosswag hat einen Weg gefunden, die Qualifizierungskette für Metallpulver zu verkürzen – und gleichzeitig die Bauteilsimulation zu verbessern.

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Für schnellere Umsetzung von Kundenanfragen hat sich Rosswag eine Verdüsungsanlage angeschafft, die auf häufige Materialwechsel und Mengen unter 50 kg ausgelegt ist.
Für schnellere Umsetzung von Kundenanfragen hat sich Rosswag eine Verdüsungsanlage angeschafft, die auf häufige Materialwechsel und Mengen unter 50 kg ausgelegt ist.
(Bild: Rosswag)
  • Nur ein Bruchteil der Metalle ist als Metallpulver für die Additive Fertigung qualifiziert.
  • Mit einer Verdüsungsanlage für kleine Mengen verkürzt Rosswag die Herstellung der ersten Pulver für Prüfkörper signifikant.
  • Mit den gewonnenen Daten des Qualifizierungsprozesses können Simulationsprogramme angereichert und so der Baujob besser vorausgeplant werden.

Wo es für konventionelle Verfahren Tausende unterschiedlicher Legierungen gibt, stehen für das selektive Laserschmelzen (SLM) bisher lediglich eine Handvoll Standard­legierungen bereit. Zu wenige für viele Anwender dieses additiven Verfahrens. Das Problem kennt auch Daniel Beckers, Projektingenieur bei Rosswag Engineering: „Unsere Kunden fordern oft komplexe Werkstoff- und Prozess­lösungen, die derzeit noch nicht existieren und auch selten oder unvollständig im wissenschaftlichen Umfeld vorhanden sind.” Denn die Herstellung eines neuen Werkstoffes in Pulverform benötigt Zeit.

Wer will schon Monate warten, bis der Werkstoff zum ersten Mal zu Metallpulver verdüst wurde? Auch nachfolgende Parameterstudien und werkstoffwissenschaftliche Auswertungen können mehrere Wochen oder Monate in Anspruch nehmen. Rosswag suchte einen schnelleren Weg, um die gesamte Qualifizierungskette innerhalb weniger Wochen zu durchlaufen. Teilweise wurden schon Durchlaufzeiten von weniger als drei Wochen realisiert. Damit können recht schnell auf Basis von experimentellen Ergebnissen Entscheidungen getroffen werden, ob die geplante Vorgehensweise zielführend ist und somit effektiv Time-to-Market-Zyklen bei Endkunden beschleunigt werden.

Der schnelle Weg zum Prüfteil

Zu einer schnellen Umsetzung von Materialanforderungen zu ersten Proben gehört die passende Ausstattung. So betreibt Rosswag seit Ende 2017 eine AU3000-Verdüsungsanlage von Blue Power, die speziell für häufige Materialwechsel und hohe Reinheit für die Herstellung von Mengen < 50 kg Sondermetallpulver entwickelt wurde. Damit kann eine Kleinmenge von 10 kg eines Sondermetallpulvers, sobald das Rohmaterial verfügbar ist oder im Schmelz­tiegel individuell zulegiert wird, innerhalb eines Arbeitstages hergestellt und für den SLM-Prozess durch Sieben und Sichten aufbereitet werden. Partikelgrößenverteilung, Partikelform, Fließfähigkeit und andere relevante Parameter werden überprüft, bevor das Metallpulver in eine SLM-Anlage gegeben wird.

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Diese 10 kg Metallpulver reichen für initiale Parameterstudien auf den SLM-Anlagen aus. Momentan variiert man bei Rosswag die Prozessparameter noch auf Basis der Erfahrungswerte in einem geeigneten Prozessfenster, künftig greift das Unternehmen auch auf Prozesssimulationen von Ansys zurück. „Mit der Simulationssoftware wollen wir die Qualifizierungszeit verkürzen und die Qualität der erzielten Ergebnisse weiter verbessern”, sagt Beckers.

Die so hergestellten Probekörper, meist Schliffwürfel und Flachzugproben, analysiert und erprobt Rosswag anschließend im Werkstofflabor, wo inzwischen auch eine chemische Vollanalyse, inklusive CS/ONH-Analyse, mit Geräten von Bruker durchgeführt wird. Neben den Untersuchungen von Porosität und Gefügestruktur in geätzten Mikroschliffen unter dem Stereomikroskop sind auch Abweichungen in der chemischen Zusammensetzung über die gesamte Prozesskette hinweg gegenüber dem eingesetzten Rohmaterial detektierbar. Diese Ergebnisse können in weiteren Entwicklungsiterationen zu Legierungsanpassungen vor der Metallpulverherstellung führen, um gezielt beeinflusste Legierungszusammensetzungen im additiv hergestellten Bauteil am Ende der Prozesskette zu erhalten. Dies führt dann in Verbindung mit geeigneten Wärmebehandlungen zu den gewünschten Werkstoffeigenschaften.

Bauteilherstellung möglichst detailliert vorausplanen

Am Ende des Qualifizierungsprozesses liegen umfangreiche Datensätze vor, die sich aus Metallpulvereigenschaften, SLM-Prozessparametern und mechanisch-­technischen, chemischen beziehungsweise metallografischen Werkstoffeigenschaften der zu untersuchenden Materialien zusammensetzen. Sie dienen beispielsweise als Grundlage für weitere Optimierungsiterationen. Dieser Ansatz führt wiederum zu einer erweiterten Anwendung der Simulation. Ein wesentliches Ziel ist, nicht nur die Werkstoffeigenschaften und die Qualifizierung im additiven Fertigungsprozess zu optimieren, sondern auch die Bauteilherstellung möglichst detailliert vorauszuplanen. „Denn in dem Herstellungsverfahren können typische Charakteristiken des zukünftigen Bauteils in Verbindung mit dem Fertigungsprozess betrachtet werden”, erklärt Beckers. Das ist vor allem für kritische Bauteilbereiche, wie große Querschnittsänderungen oder filigrane Geometrien, und damit einhergehende Prozesseinflüsse bezüglich Wärmeleitung und Eigenspannungen interessant.

Gerade bei anspruchsvollen geometrischen Features und hochfunktionalen Bauteilen kann es dazu kommen, dass Prozessparameter zwar grundsätzlich für ein durchschnittlich gutes Bauteil geeignet sind, aber in anspruchsvollen Bereichen nicht optimal performen und damit zu erhöhter Porosität oder schlechter Oberflächenqualität führen.

Ein solches Zusammenspiel aus Pulvermetallurgie und Prozess­parametern und die daraus resultierenden Anpassungen lassen sich jedoch nur mit einer darauf abgestimmten End-to-End-Prozesskette abbilden. So entsteht eine Synergie aus der Bauteilgeometrie, dem additiven Fertigungsprozess und der verwendeten Metalllegierung.

* Gregor Graf ist Leiter Engineering bei Rosswag Engineering in 76327 Pfinztal

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