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Über dieses Buch

In der laseradditiven Fertigung stellen fehlende Vorgaben für die Qualität des Metallpulvers und mangelnde Kenntnisse über den Einfluss der Pulvereigenschaften auf die Qualitätsmerkmale der Bauteile besondere Herausforderungen dar, die die Etablierung der Technologie als (Serien-)Produktionsverfahren erschweren. Gegenstand dieser Dissertation sind grundlegende Untersuchungen zum Werkstoff- und Prozessverhalten von Metallpulvern in der laseradditiven Fertigung. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden Anforderungen an das Eigenschaftsprofil eines Pulverwerkstoffs für die laseradditive Fertigung formuliert, die zum Zwecke der Qualitätssicherung zu prüfenden Pulvereigenschaften vorgeschlagen und Handlungsempfehlungen zum Transport, zur Lagerung und zum Recycling abgeleitet.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Durch Megatrends wie Globalisierung, Individualisierung und Konnektivität werden Unternehmen mit einer sich zunehmend verschärfenden Wettbewerbssituation konfrontiert. Vor allem die wachsenden Kundenansprüche an die Individualität der Produkte bei gleichzeitig immer kürzeren Produktlebenszyklen und die Notwendigkeit, immer kostengünstiger produzieren zu müssen, stellen Unternehmen vor große Herausforderungen. Eine erhöhte Flexibilisierung der Produktion kann eine Chance bieten, den steigenden Anforderungen gerecht zu werden.
Vanessa Seyda

Kapitel 2. Stand von Wissenschaft und Technik

Die laseradditive Fertigung metallischer Bauteile, auch unter den Bezeichnungen (Laser-) Strahlschmelzen [VDI14], Direktes-Metall-Laser-Sintern (DMLS) [EOS17a], Selective Laser Melting (SLM) [SLM17a], LaserCUSING [Con17a], Laser Metal Fusion (LMF) [Tru17] und industrieller 3D-Druck [EOS17a] bekannt, zählt zu den pulverbett-basierten Verfahren und erlaubt die schichtweise Herstellung von Funktionsbauteilen mittels Laserstrahlung aus einkomponentigen Metallpulvern [VDI14]. Im Folgenden wird zunächst der Stand von Wissenschaft und Technik zur laseradditiven Fertigung metallischer Bauteile zusammengefasst. Anschließend werden die grundlegenden Eigenschaften der eingesetzten Metallpulver vermittelt und deren Herstellung erläutert.
Vanessa Seyda

Kapitel 3. Zielsetzung und Lösungsweg

Die laseradditive Fertigung hat sich in den letzten Jahren zu einer interessanten Alternative für die Herstellung funktionaler Endprodukte aus Metall entwickelt. Das fortwährende Wachstum und das sich stetig erweiternde Anwendungsspektrum dieser Fertigungstechnologie haben auch im Bereich der Herstellung von Metallpulvern neue Marktteilnehmer in Erscheinung treten lassen. Die verschiedenen Lieferanten, zu denen Pulverhersteller ebenso zählen wie Anlagenhersteller und Drittanbieter, beeinflussen die für die Metallpulver aufgerufenen Marktpreise.
Vanessa Seyda

Kapitel 4. Systematische Einflussanalyse

Zur Identifizierung qualitätsrelevanter Einflussfaktoren und deren Auswirkungen auf das Metallpulver in der laseradditiven Fertigung werden, bedingt durch die Komplexität des Gesamtprozesses, zunächst theoretische Überlegungen vorangestellt. Diese Betrachtungen werden in Anlehnung an eine Fehler-Möglichkeits- und Einfluss-Analyse (Failure Mode and Effect Analysis, FMEA) vorgenommen. Bei einer FMEA handelt es sich um eine Qualitätsmanagementmethode, die im Allgemeinen zur vorbeugenden Risikoanalyse und zur präventiven Qualitätssicherung eingesetzt wird [Brü11, Sch15b, Wer11].
Vanessa Seyda

Kapitel 5. Versuchsbedingungen und Messmethoden

Zur Analyse der herausgestellten Einflussfaktoren auf das Eigenschaftsprofil eines Pulverwerkstoffs und auf die Qualitätsmerkmale der laseradditiv gefertigten Bauteile werden verschiedene experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt. Nachfolgend wird zunächst der gewählte Versuchswerkstoff betrachtet und analysiert. Anschließend wird die eingesetzte Anlagentechnik beschrieben.
Vanessa Seyda

Kapitel 6. Eignung von Pulverwerkstoffen und Prüfverfahren

Zur Erzeugung von Ti-6Al-4V-Pulvern für den Einsatz in der laseradditiven Fertigung werden unterschiedliche Verfahren verwendet. Gegenwärtig industriell übliche Herstellungsverfahren sind die (tiegelfreie) Gasverdüsung, die Plasmaverdüsung im Gleichstrom-Plasma sowie die Verdüsung im induktiv gekoppelten Plasma (vgl. Kapitel 2.3). In den nachfolgenden Ausführungen werden die in dieser Arbeit untersuchten Ti-6Al-4V-Pulver vorgestellt.
Vanessa Seyda

Kapitel 7. Pulverauftrag in der laseradditiven Fertigung

Der schichtweise Auftrag des Pulverwerkstoffs stellt einen wesentlichen Prozessschritt in der laseradditiven Fertigung dar, in dem u. a. das verwendete Pulverauftragssystem und die gewählte Pulverauftragsgeschwindigkeit sowohl für die Beschaffenheit des Pulverbetts und die Bauteilqualität als auch für die Produktivität des Prozesses ausschlaggebend sind. Nachfolgend werden die Analysen ausgewählter Einflussfaktoren im Prozessschritt des Pulverauftrags (vgl. Kapitel 4) beschrieben (vgl. Abbildung 7.1). Mit den durchgeführten numerischen und experimentellen Untersuchungen wird das Ziel verfolgt, das Verständnis des Pulverauftragsprozesses zu erweitern sowie die Wechselwirkungen zwischen der flächigen Pulververteilung, der erreichbaren Packungsdichte des Pulverbetts und den Qualitätsmerkmalen der Bauteile zu erfassen.
Vanessa Seyda

Kapitel 8. Transport und Lagerung von Pulverwerkstoffen

Der Transport und die Lagerung eines Metallpulvers wurden im Rahmen der systematischen Einflussanalyse als Prozessabschnitte identifiziert, in denen verschiedene Einflussfaktoren den Pulverwerkstoff verändern (vgl. Kapitel 4). Dazu zählen u. a. während der Beförderung auftretende Schwingungen und die klimatischen Gegebenheiten bei der Aufbewahrung. Um Erkenntnisse über die Auswirkungen dieser Umwelteinflüsse auf das Eigenschaftsprofil eines Ti-6Al-4V-Pulvers zu gewinnen, werden verschiedene Untersuchungen unter kontrollierbaren Randbedingungen durchgeführt, welche nachfolgend beschrieben werden.
Vanessa Seyda

Kapitel 9. Recycling von Pulverwerkstoffen

Durch das Recycling des nicht geschmolzenen Ti-6Al-4V-Pulvers werden der Grad der Werkstoffausnutzung und die Ressourceneffizienz in der laseradditiven Fertigung erhöht. Damit stellen die Wiederverwendung und die Aufbereitung des Pulverwerkstoffs einen wesentlichen Prozessabschnitt und gleichzeitig einen bedeutsamen Vorteil des Fertigungsverfahrens dar. Um diesen nutzen zu können, ist es entscheidend, dass die Anforderungen an die Qualitätsmerkmale der laseradditiv gefertigten Bauteile auch bei dem Einsatz von recyceltem Pulverwerkstoff erfüllt werden.
Vanessa Seyda

Kapitel 10. Zusammenfassung

Metallpulver bilden den Ausgangswerkstoff für die laseradditive Fertigung von Bauteilen und tragen entscheidend zur Prozess- und Bauteilqualität bei. Das bis heute unzureichende Wissen über die verwendeten Pulverwerkstoffe hemmt jedoch die weitere Verbreitung der Technologie und einen vermehrten industriellen Einsatz des Verfahrens.
Vanessa Seyda

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