Anlage zur additiven Fertigung durch Laserstrahlschmelzen von Metallen im Pulverbett mit großem Bauraum
Final Report Abstract
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.
Publications
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