Die begrenzte Werkstoffpalette limitiert den Einsatz des pulverbasierten Laserschmelzens. Wie gewünschte Materialeigenschaften trotzdem realisiert werden können, haben Fraunhofer IFAM und die RWTH Aachen erforscht.

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Das pulverbasierte Laserstrahlschmelzen wird in immer mehr Bereichen der industriellen Fertigung eingesetzt, da es eine größtmögliche gestalterische Freiheit bei der Konstruktion von Bauteilen erlaubt. Bei diesem wohl bekanntesten additiven Fertigungsverfahren (Objekte werden hergestellt, indem Schicht für Schicht Material hinzugefügt wird) werden für die Realisierung der optimalen Bauteilgeometrie angepasste Werkstoffe benötigt. Daher ist ein begrenzender Faktor für den Einsatz des Verfahrens die derzeit noch relativ kleine Werkstoffpalette. So stehen derzeit weniger als 30 metallische Werkstoffe für den 3-D-Druck zur Verfügung. Zum Vergleich: Für die konventionelle subtraktive Fertigung (um Bauteile herzustellen, wird Material abgetragen) kann auf hunderte von Stählen und Legierungen zurückgegriffen werden.

Vielfalt an Materialeigenschaften mit wenigen Grundmaterialien

Um unter anderem die Marktchancen des pulverbasierten Laserstrahlschmelzens weiter zu erhöhen, wurde das durch die AiF geförderte Vorhaben LPBF-Pulverbaukasten ins Leben gerufen. In diesem gingen das IWM der RWTH Aachen und das Fraunhofer IFAM der Frage nach, wie die limitierte Werkstoffpalette für dieses Verfahren umgangen werden kann. Von Bauteilen häufig geforderte Materialeigenschaften sind beispielsweise Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder Härte. Um die geforderten Eigenschaften realisieren zu können, werden spezifische Werkstoffe benötigt. Der entwickelte LPBF-Pulverbaukasten bietet hierfür Materialien wie beispielsweise Eisenbasispulver mit und ohne Kohlenstoff, Chrom, Nickel, Molybdän oder Titancabid. Aus diesen Werkstoffen lassen sich beispielsweise Stahllegierungen mit spezifischen Eigenschaften herstellen, die zwar aus denselben Grundelementen bestehen, sich aber in den jeweiligen Anteilen unterscheiden. In dem vom IWM und IAM entwickelten Verfahren erfolgt auf Grundlage des gewünschten Anforderungsprofils des herzustellenden Werkstoffs zuerst die Wahl der Legierungszusammensetzung, die Festlegung der Pulverzusammensetzung mittels thermodynamischer Simulationsmethoden und die Pulveraufbereitung durch angepasste Misch- und Homogenisierungsverfahren. Im nächsten Schritt werden die optimalen Prozessparameter bestimmt und der so erzeugte Werkstoff durch mikrostrukturelle Charakterisierung und Prüfung der mechanischen Eigenschaften qualifiziert. Daraufhin wird das Pulver gemischt. Beim Laserstrahlschmelzprozess wird abschließend die gewünschte Legierung mit den spezifischen Eigenschaften erzeugt, die dann so lange aufgetragen wird, bis das gewünschte Bauteil fertiggestellt ist.

Konkrete Anwendung

Im Rahmen des Projekts wurden maßgeschneiderte, korrosionsbeständige Edelstähle mit gezielt eingestellten Eigenschaftsprofilen auf Basis des LPBF-Pulverbaukastens erzeugt. Hierfür wurden die Einflussfaktoren, die eine gute korrosionsbeständige Legierungsbildung begünstigen, ermittelt. Die Güte der erzeugten Legierung wurde abschließend anwendungsorientiert geprüft. Resultat war, dass die im LPBF-Prozess hergestellten korrosionsbeständigen Werkzeug- und Duplexstähle resistenter sind als das jeweilige Basispulver. Die gewünschten Zieleigenschaften wurden erreicht. Das Verfahren bietet auch die Möglichkeit, das Gefüge mittels angepassten Laserparametern einzustellen. Als nächstes sollen die automatisierte Berechnung und die Einstellung der Pulvermischung für die spezifische Produktentwicklung erforscht werden.