Hauptkategorien der bestehenden additiven Fertigungsverfahren für Metalle.
Auch wenn es einfach klingen mag, ist der Forschungsaufwand, den die additive Fertigung erfordert, um die Qualität einer Fertigung zu gewährleisten, enorm. Während technische Normen verfasst und ständig weiterentwickelt werden, ist die additive Fertigung extrem flexibel und designabhängig, wobei eine Vielzahl von Maschinenparametern eine Rolle spielt. Zu den vielen Parametern, die die endgültigen Eigenschaften beeinflussen, gehören :
- Chemie der Pulver
- Form und Größe der Pulver
- Verwendete Technologie und Maschinenmodell
- Eigenschaften des Laserstrahls – Form und Leistung in laserbasierten Prozessen
- Eigenschaften des Elektronenstrahls – Stärke und Stärke in elektronenbasierten Prozessen
- Ausrichtung der Konstruktion
Es ist wichtig, den Einfluss all dieser Parameter auf die Mikrostruktur eines Materials zu verstehen, um die Technologien der additiven Fertigung optimal nutzen zu können. Die Mikrostruktur von additiv hergestellten Materialien kann sich stark von der Mikrostruktur konventionell hergestellter Materialien unterscheiden. Dies führt häufig zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Auf dieser Seite finden Sie eine Fallstudie zur Untersuchung der Mikrostruktur eines additiv hergestellten Materials.
Da die Mikrostruktur direkt die mechanischen Eigenschaften des fertigen Teils bestimmt, ist es wichtig, den Einfluss aller Maschinenparameter auf die Mikrostruktur zu charakterisieren und die Eigenschaften des Pulvers zu kennen. Beispielsweise kann die Herstellungsrichtung die Eigenschaften eines Teils verändern, da die Körner entlang einer Achse säulenförmig angeordnet sein können oder es zu einer Segregation von Ausscheidungen wie Karbiden (in rostfreien Stählen) entlang der Schmelz-/Sinterbahnen kommen kann. Daher untersuchen Metallurgen in vielen Fällen die Mikrostruktur sowohl in Längs- als auch in Querrichtung zur Herstellungsrichtung.
Mikrostruktur in Druckrichtung, die das charakteristische Wellenmuster der geschichteten Pulverschichten zeigt, die beim Ätzen mit Kalling’s Reagenz miteinander verbunden wurden. Es ist zu erkennen, dass die austenitischen Körner in Druckrichtung verlängert sind.
Die Mikrostruktur senkrecht zur Druckrichtung zeigt im Gegensatz zur Druckrichtung mehr gleichachsige austenitische Körner. Aufgrund eines solchen Unterschieds in der Kornmorphologie in verschiedenen Richtungen sind unterschiedliche mechanische Eigenschaften in den beiden Richtungen zu erwarten.
Schmelzspuren des Pulvers (Schmelzspuren) aus dem Lasersintern, die nach dem Ätzen beobachtet werden.
Wie andere konventionelle Fertigungsverfahren ist auch die additive Fertigung anfällig für Fehler. Wenn man die Vorteile der Komplexität des Designs berücksichtigt, sind angemessene Studien erforderlich, um einen Fehler für ein bestimmtes Design, das aus einem bestimmten Prozess hervorgeht, statistisch vorherzusagen. Zur Charakterisierung von additiv gefertigten Teilen wurden zahlreiche verfügbare Normen entwickelt. Allerdings gibt es derzeit keine angemessenen Normen, um Porositäten quantitativ zu klassifizieren. Die Industrie verfasst ihre eigenen Standards zur Qualifizierung von Teilen, da Porositäten stark vom Design abhängen können. Das Design des Teils kann entweder zu einem Unterschmelzen oder einem fehlenden Aufschmelzen des Pulvers führen, die beide Porositäten erzeugen können.
Je nach Design und Prozessparametern sind verschiedene Arten von Porositäten zu erwarten: Gasporosität, Schlüssellochporosität und Schmelzmangel. Porositäten können auch in lokalisierten Bereichen auftreten: an der Oberfläche, unterhalb der Kontur oder in der Masse. Die Industrie entscheidet sich häufig für das HIP-Verfahren (Hot Isostatic Pressing), um Porositäten bis zu einem gewissen Grad zu beseitigen.
Mikrostruktur entlang der Wände eines hohlen Elements auf einem additiv gefertigten Ti-6Al-4V-Titanteil, die eine schlechte Pulverschmelze zeigt.
Die oben dargestellten Fehler können durch Oberflächenbehandlungen nach dem Prozess beseitigt werden. Gefährlicher sind Defekte in der Masse des gefertigten Teils. Die folgende Abbildung zeigt einen klassischen Defekt, der durch eine schlechte Verschmelzung zwischen den Pulverschichten entsteht. Dies kann auf das Einfangen von Gasen oder Oxideinschlüssen während des Druckvorgangs zurückzuführen sein.
Mikrostruktureller Defekt (roter Pfeil) aufgrund einer schlechten Schichtverschmelzung in einem additiv hergestellten Stahl aus der Legierung 316L.
Trennen
Bei der Vorbereitung einer metallografischen Probe eines additiv gefertigten Teils müssen die interessierenden Regionen richtig ausgewählt werden. Sobald die Region ausgewählt ist, können die Schneidzusätze, die Maschine und die Haltesysteme richtig ausgewählt werden. Häufig sind mehrere Schnitte erforderlich, um die Region of Interest (zu untersuchender Bereich) abzutrennen.
Mit dem 3D-Drucker hergestelltes Teil (Stahl 316L), das mit der roten LAM PLAN Präzisions-Trennscheibe im Bereich von Interesse – Loch senkrecht zur Zahnradachse – geschnitten wurde.
Trennscheibe
Für schnelle Schnitte können die Excellence LAM PLAN-Trennscheiben verwendet werden. Für Präzisionsschnitte werden die LAM PLAN Precision-Trennscheiben empfohlen. Weitere Tipps zu Verbrauchsmaterialien und Schnittparametern finden Sie in unseren Artikeln zur Metallografie von zu trennenden Materialien.
Fixierung
Je nach Form und Größe des Teils muss ein geeigneter Schraubstock oder ein Fixierungssystem ausgewählt werden. Die komplexen Formen von Teilen aus der additiven Fertigung können diesen Prozess zusätzlich erschweren. Die Fixierung von LAM PLAN verhindert übermäßige Vibrationen und das gefährliche Lösen der Teile von den Fixiersystemen beim Schneiden mit Cutlam-Maschinen.
Polieren
Zum Schleifen und Polieren können die für konventionell hergestellte Materialien empfohlenen Poliermethoden verwendet werden. Im Folgenden finden Sie verallgemeinerte Poliermethoden, die bei additiv gefertigten Aluminium-, Titan- und Stahllegierungen effektiv funktioniert haben.
Aluminiumlegierungen
Titanlegierungen
Stähle
H – Uhrzeigersinn / AH – Gegenuhrzeigersinn / KOPFRICHTUNG: Immer H (die Einstellungen sind optimiert, um 6 Proben mit einem Durchmesser von 30 mm zu polieren).
Tipps zu den Polierschritten finden Sie in unseren Artikeln über die Metallografie bestimmter Materialien :
+33 (0)4 50 43 96 30