Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer: Individualisierte Produktion: Selective Laser Melting

 

Selektives Laserstrahlschmelzen (engl. Selective Laser Melting, SLM) bezeichnet ein additives Fertigungsverfahren, allgemein auch als 3D-Druck bezeichnet. Im Gegensatz zu konventioneller Herstellung, ermöglicht die additive Fertigung von Metallen die Generierung komplexer Strukturen direkt aus CAD-Daten. Die Probekörper und Bauteile werden dabei durch den repetitiven Aufbau von 2D-Schichten erzeugt. Hierbei wird jeweils das Grundmaterial (Pulverbett) selektiv unter der Nutzung einer hochenergetischen Quelle (Laserstrahlung) aufgeschmolzen. Das Projekt ist Bestandteil des Exzellenzclusters (CoE) ‚Integrative Produktentwicklung für Hochlohnländer‘. Innerhalb des CoE wird angestrebt, das SLM-Verfahren, welches ursprünglich für die schnelle Herstellung von Prototypen genutzt wurde, zu einem industriellen Herstellungsprozess für die Generierung von individualisierten Produkten und Kleinserien zu entwickeln. Hierbei arbeitet das Institut für Eisenhüttenkunde (IEHK) in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT) an der Produktion von Teilen mit endabmessungsnaher Geometrie und gesteigerter Funktionalität, wie zum Beispiel SLM-generierte, dichtereduzierte Gitterstrukturen.

Die Arbeiten im Bereich der Werkstofftechnik für die additive Fertigung werden ab Anfang 2019 im neuen Exzellenzcluster “Internet of Production (IoP)“ für die nächsten sieben Jahre fortgeführt und ausgeweitet.

Um das volle Potential der additiven Fertigung optimal auszunutzen, untersuchen wir sowohl metallurgische als auch technologische Aspekte, die die Mikrostruktur während der additiven Fertigung und der nachfolgenden Prozessführung beeinflussen. Die Synergie zwischen optimierter chemischer Zusammensetzung, Prozessparametern und der Geometrie erlaubt es uns dabei, die finalen Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile gezielt einzustellen. Um den Einfluss des entsprechenden additiven Fertigungsprozesses, des ursprünglichen Pulvers, der Prozessparameter, etc. auf die Mikrostrukturentwicklung verstehen zu können, nutzen wir modernste Untersuchungsmethoden auf unterschiedlichsten Längenskalen (Abb. 1).

  Mikrostrukturanalyse eines SLM-generierten X30Mn22-Stahls auf unterschiedlichen Längenskalen mittels LM, REM, EDS und APT. Urheberrecht: IEHK Abb. 1: Mikrostrukturanalyse eines SLM-generierten X30Mn22-Stahls auf unterschiedlichen Längenskalen mittels LM, REM, EDS und APT.
 
 

Die Mikrostruktur von additive gefertigten Bauteilen weicht stark von der konventionell gefertigter Materialien ab. Gerichtet erstarrte Körner, ausgeprägte Texturen, vergleichsweise homogene Elementverteilung, hohe Eigenspannungen, etc. sind typische Merkmale additiv gefertigter Metalle. Diese Eigenschaften können genutzt werden, um die mechanischen Eigenschaften dieser Materialien gezielt einzustellen (Abb. 2).

  (A) Substratplatte mit über das SLM-Verfahren generierten Zug- und Gitterproben, (B) Technische Spannungs-Dehnungskurven der Zugproben in (A) in Abhängigkeit vom Winkel zwischen Scanrichtung und Zugrichtung im Vergleich zu konventionell hergestelltem Mat Urheberrecht: IEHK (A) Substratplatte mit über das SLM-Verfahren generierten Zug- und Gitterproben, (B) Technische Spannungs-Dehnungskurven der Zugproben in (A) in Abhängigkeit vom Winkel zwischen Scanrichtung und Zugrichtung im Vergleich zu konventionell hergestelltem Mat