Investigation of the combined process chain based on SLM and LMD
Final Report Abstract
Im abgeschlossenen Forschungsvorhaben wurde die Herstellung von hybriden Proben mit einer additiven Verfahrenskombination aus SLM und LPA unter Verwendung des Werkstoffs Inconel 718 untersucht. Der Fokus des Forschungsvorhabens lag auf der Erforschung der Ausbildung des Übergangsbereichs beim LPA-Auftrag auf SLM-Grundkörper. Der Übergangsbereich kennzeichnet sich durch einen Umschmelzbereich, in welchem der SLM-Grundkörper durch den LPA-Auftrag erneut aufgeschmolzen wird und in einem für LPA-typischen Gefüge erstarrt. Unter dem Umschmelzbereich befindet sich die Wärmeeinflusszone, die das feinkörnigere SLM-Gefüge aufweist, aber durch den hohen Wärmeeintrag des LPA-Auftrags einen Wärmeeinfluss und damit einhergehend eine mikrostrukturelle Änderung erfährt. Neben der Ausbildung des Übergangsbereichs wurden Kenntnisse über die mechanischen Eigenschaften und den thermisch induzierten Verzug der kombiniert gefertigten Werkstücke erzeugt. Die Untersuchungen zeigen, dass die Umschmelztiefe r keine deutliche Abhängigkeit von der Oberflächenstruktur aufweist, was mit einer kurzen Wechselwirkungsdauer des Lasers mit der Oberfläche im Einklang ist. Jedoch sorgt die Wärmeakkumulation im Substrat bzw. im SLM-Grundkörper dafür, dass sowohl Umschmelztiefe r als auch die Ausdehnung der Wärmeübergangszone A HAZ mit der Prozessdauer zunehmen. So konnte für den Zusammenhang von der Ausdehnung der Wärmeübergangszone AHAZ und der LPA-Lagenanzahl nLPA ein deutlich linearer Zusammenhang gefunden werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die mechanische Festigkeit nicht durch den Übergangsbereich zwischen SLM und LPA geschwächt wird, sondern weiterhin durch das grobkörnigere LPA-Gefüge bestimmt wird. Eine vollständige Angleichung der Gefügezustände der kombiniert gefertigten Proben konnte mit der untersuchten Wärmebehandlung nicht erreicht werden. Allerdings konnte gezeigt werden, dass mit einer Wärmebehandlung die Ausscheidungen in der Wärmeübergangszone gelöst und der mikrostrukturelle Gradient signifikant reduziert werden. Die Verzugsuntersuchungen zeigten einen deutlichen Einfluss der LPA-Strategie und vom verwendeten Substratwerkstoff. So konnte zwar gezeigt werden, dass eine Wärmebehandlung geeignet ist, um die hohen, durch den LPA-Auftrag generierten Eigenspannungen zu relaxieren. Jedoch führt eine Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizentens α und damit ungleichmäßige Ausdehnung von Werkstück zu Substrat zu einer erneuten Eigenspannungsbildung beim Abkühlen nach der Wärmebehandlung. Dieses Phänomen führte zu einem gegenüber dem unbehandelten Zustand im Vorzeichen umgekehrten Verzug. Als Handlungsempfehlung kann daher für eine Prozesskette aus SLM, LPA und Wärmebehandlung die Verwendung von werkstoffgleichen Substraten abgeleitet werden. Durch das abgeschlossene Projekt konnten neue Erkenntnisse für die additive Fertigung innerhalb einer laserbasierten Prozesskette aus SLM und LPA erlangt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse bieten eine solide Grundlage für weitere Forschungsvorhaben, die sich mit der thermischen Analyse der beiden Prozesse in Kombination beschäftigen und damit neue Ansätze für die Homogenisierung der entstehenden Gefüge und der Verzugsvermeidung von werkstoffhybriden Verbünden aufzeigen.
Publications
- Heat treatment of SLM-LMD hybrid components. In: Proceedings of the Lasers in Manufacturing Conference, München, 24. - 27. Juni 2019
Uhlmann, E.; Düchting, J.; Petrat, T.; Graf, B.; Rethmeier, M.
- Heat treatment of SLM-LMD hybrid components. Lasers in Manufacturing Conference, München, 24. - 27. Juni 2019
Düchting, J.
- Microstructure of Inconel 718 parts with constant mass energy input manufactured with direct energy deposition. 17th Nordic Laser Materials Processing Conference 2019, Trondheim, Norwegen, 27. - 29. August 2019
Petrat, T.
- Microstructure of Inconel 718 parts with constant mass energy input manufactured with direct energy deposition. Procedia Manufacturing 36 (2019). S. 256 - 266
Petrat, T.; Brunner-Schwer, C.; Graf, B.; Rethmeier, M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.08.033) - Effects on the distortion of Inconel 718 components along a laser-based additive manufacturing process chain. Progress in Additive Manufacturing (2021)
Uhlmann, E.; Düchting, J.; Petrat, T.; Krohmer, E.; Graf, B.; Rethmeier, M.
(See online at https://doi.org/10.1007/s40964-021-00171-9)
