Anlage zur additiven Fertigung durch Laserstrahlschmelzen von Metallen im Pulverbett mit großem Bauraum
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Anlage für das Laserstrahlschmelzen aus dem Pulverbett (LSS) wurde am Lehrstuhl für Photonische Technologien (LPT) der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg für die Erarbeitung grundlagenwissenschaftlicher Erkenntnisse in einer Reihe öffentlich geförderter Projekte eingesetzt. Im Rahmen dieser Forschungsprojekte lag der wissenschaftliche Schwerpunkt auf der Additiven Fertigung (AF) von dreidimensionalen Strukturen / Bauteilen aus metallischen Legierungen, die nach aktuellem Stand der Technik und Forschung nicht oder nur eingeschränkt verarbeitet werden können sowie auf der Untersuchung von Hybridbauteilen aus Blechumformteilen mit additiv gefertigter Struktur. Im Teilprojekt (TP) A5 des Sonderforschungsbereichs (SFB) 814 – additive Fertigung wurde der Einfluss unterschiedlicher Belichtungsstrategien auf die resultierenden Bauteileigenschaften untersucht. Angefangen mit den Auswirkung der Belichtungsreihenfolge auf die oberflächennahe Porosität [6] über die Beeinflussung der lokal vorliegenden Mikrostruktur durch gezielte Wahl der Belichtungsparameter hin zur Erfassung der Auswirkungen der Bauteilgeometrie auf den thermischen Haushalt wurde ein grundlegendes Verständnis für den Aufbau komplexer Probekörper mit lokal variablen Eigenschaften geschaffen. Im TP B5 des SFB 814 stand die Kombination aus Blechumformung und additiver Fertigung im Vordergrund. Dabei wurden die beiden möglichen Prozessrouten, Umformung vor dem Aufbringen des AF-Elements sowie Umformung nach dem Aufbringen des AF-Elements, betrachtet und die Effekte auf den erreichbaren Umformgrad, die resultierende Scherverbundfestigkeit sowie die vorliegenden Eigenspannungen charakterisiert. In Abhängigkeit der vorliegenden Mikrostruktur wurden Wärmebehandlungsstrategien für die Hybridbauteile entwickelt. So konnte die Scherverbundfestigkeit über die Projektlaufzeit von anfangs 38 MPa auf 570 MPa angehoben werden: Das TP 2 im Forschungsverbund Next Generation Tools (ForNextGen) hatte die additive Verarbeitung von kohlenstoffhaltigen Werkzeugstahl zu Werkzeugeinsätzen mit innenliegenden Kühlkanälen hoher Oberflächengüte zum Inhalt. In diesem Projekt kam vor Allem die in die Anlage integrierbare Hochtemperaturheizung (500°C) zum Einsatz. Die hohen Vorheiztemperaturen oberhalb der Martensitstarttemperatur des Werkstoffs ermöglichten einen defektfreien Aufbau großvolumiger Probekörper aus 1.2343. Im weiteren Projektverlauf konnten durch die sukzessive Anpassung der Belichtungsstrategie Kühlkanäle mit einem minimalen Durchmesser von 0,5 mm erzielt werden. Abschließend wurde die Auswirkung unterschiedlicher Wärmebehandlungen (WB) auf LSS-Bauteile untersucht. Hierbei hat sich herausgestellt, dass entgegen der WB für konventionell gefertigte Bauteile nach Stand der Technik, einer Austenitisierung gefolgt von zweimaligen Anlassen, durch einmaliges Anlassen ohne Austenitisierung eine höhere Festigkeit bei gleichbleibender Duktilität erzielt werden kann. Folgende Gerätemerkmale erwiesen sich als besonders vorteilhaft: Hochtemperaturheizung mit doppeltem Nutzen: Aufbau additiv gefertigter Probekörper aus kohlenstoffhaltigen Stählen oberhalb der Martensitstarttemperatur; Bauraumverkleinerung für Arbeiten mit kleinen Pulvermengen. Zugänglichkeit aller Prozessstellgrößen. Variation des Laserstrahlprofil durch Anwahl einer der beiden verbauten Laser.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- A Round Robin Study for Laser Beam Melting in Metal Powder Bed. In: South African Journal of Industrial Engineering, 2016, 27(2), S. 30-42
B. Ahuja, A. Schaub, D. Junker, M. Karg, F. Tenner, R. Plettke, M. Merklein, M. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.7166/27-2-1201) - Additive Manufacturing of Functional Elements on Sheet Metal, In: Physics Procedia, 2016, 83, S. 797-807
A. Schaub, B. Ahuja, L. Butzhammer, J. Osterziel, M. Schmidt, M. Merklein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.phpro.2016.08.082) - Influence of Preheating Temperature and Carbon Content on Crack Formation during Laser Beam Melting of AISI H11 Tool Steel, In: Proceedings of 6th International Conference on Additive Technologies iCAT 2016, Nürnberg, Deutschland, 2016
C. Bischof, C. Scheitler, L. Kneisel, A. Gorunov, M. Schmidt
- Laser beam melting of water atomized iron base alloy FE 4800 with in situ alloying of carbon nanoparticles, In: 17th Annual Conference of Rapid Product Development Association of South Africa, South Africa, 2016
C. Bischof, G. Nitsch, C. Scheitler, A. Dressler, M. Schmidt
- Einfluss der Belichtungsstrategie auf die oberflächennahe Porosität beim Laserstrahlschmelzen im Pulverbett, In: Proceedings of 14th Rapid.Tech, Erfurt, Deutschland, 2017
M. Rasch, L. Butzhammer, F. Huber, C. Merz, M. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.3139/9783446454606.019) - Experimental investigation of a process chain combining sheet metal bending and laser beam melting of Ti-6Al-4V, In: Proceedings of LiM 2017 – Lasers in Manufacturing, München, Deutschland, 2017
L. Butzhammer, P. Dubjella P., M. Aumüller, M. Merklein, M. Schmidt
- Customized Exposure Strategies for Manufacturing Hybrid Parts by Combining Laser Beam Melting and Sheet Metal Forming, In: Proceedings of 37th ICALEO, Orlando, Florida, 2018
F. Huber, T. Papke, M. Merklein, M. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.2351/1.5096115) - Geometry dependent microstructure: bug or feature, In: Proceedings of 10th CIRP Conference on Photonic Technologies, Fürth, Deutschland, 2018
J. Hagen, M. Rasch, S. Kohl, M. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.procir.2018.08.024) - Verarbeitung des warmfesten Lagerstahls M50NiL mittels selektiven Laserstrahlschmelzens aus dem Pulverbett, In: HTM J. Heat Treatm. Mat., 2018, 73(4), S. 187-201
O. Beer, C. Merklein, D. Gerhard, O. Hentschel, M. Rasch, M. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.3139/105.110358) - Laser Beam Melting and heat-treatment of 1.2343 (AISI H11) tool steel – microstructure and mechanical properties, In: Materials Science and Engineering: A, 2019, 742, S. 109-115
F. Huber, C. Bischof, O. Hentschel, J. Heberle, K. Nagulin and M. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.11.001)
