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Expertenbeitrag

 Gregor Graf

Gregor Graf

Head of Engineering, Rosswag GmbH

Qualifizierte Metallpulver Neue Metallwerkstoffe für die additive Serienfertigung

Autor / Redakteur: Gregor Graf & Philipp Schwarz, Rosswag GmbH / Stefan Guggenberger

Mit einer ganzheitlichen AM Prozesskette von der Metallpulverherstellung bis zu einer umfassenden Laboranalytik qualifiziert Rosswag neue AM Werkstoffe innerhalb von vier bis sechs Wochen. Die Orientierung am Technology Readiness Level dient dabei als Fahrplan bis zur Serienfertigung und sorgt zugleich für Transparenz gegenüber dem Kunden.

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Die Hürde für Unternehmen, neue Werkstoffe für die additive Fertigung qualifizieren zu lassen, ist in der Regel sehr hoch. Bei Rosswag Engineering ist es möglich, einen neuen Werkstoff innerhalb von vier bis sechs Wochen zu qualifizieren.
Die Hürde für Unternehmen, neue Werkstoffe für die additive Fertigung qualifizieren zu lassen, ist in der Regel sehr hoch. Bei Rosswag Engineering ist es möglich, einen neuen Werkstoff innerhalb von vier bis sechs Wochen zu qualifizieren.
(Bild: Rosswag Engineering)

Die Anwendungen für die additive Fertigung sind da – doch der passende Werkstoff fehlt oftmals. Somit wird nachweislich der Einsatz von additiven Fertigungsprozessen in vielen Industriebereichen erschwert, da Werkstoffe mit den benötigten Eigenschaftsprofilen noch nicht oder nur unzureichend qualifiziert sind. Es fehlt - bezogen auf den LPBF-Prozess - beispielsweise an schnell verfügbaren Sondermetallpulvern, den zugehörigen Prozessparametern und abgesicherten mechanisch-technologischen Eigenschaften.

Die initiale Machbarkeitsstudie steht am Anfang einer jeden Qualifizierung

Anzahl kommerziell verfügbarer Werkstoffe für den LPBF-Prozess im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren.
Anzahl kommerziell verfügbarer Werkstoffe für den LPBF-Prozess im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren.
(Bild: Rosswag Engineering)

Die Hürde für Unternehmen, neue Werkstoffe für die additive Fertigung qualifizieren zu lassen, ist in der Regel sehr hoch. Das Metallpulver muss über einen Zulieferer hergestellt werden, anschließend ist ein weiterer Partner nötig, um den Werkstoff auf einer LPBF Anlage zu verarbeiten und geeignete Prozess- und Maschinenparameter zu identifizieren. Oftmals werden Proben und Testkörper noch von einem dritten Partner analysiert und erprobt. Die unzähligen Schnittstellen führen dabei meist zu einem umfangreichen und betreuungsintensiven Entwicklungsprojekt mit technischen und finanziellen Risiken.

Technology Readiness Level 1-9 für zur Qualifizierung von Werkstoffen für den LPBF-Prozess.
Technology Readiness Level 1-9 für zur Qualifizierung von Werkstoffen für den LPBF-Prozess.
(Bild: Rosswag Engineering)

Bei Rosswag Engineering ist es durch die firmeninterne und ganzheitliche Prozesskette möglich in nur vier bis sechs Wochen einen neuen Werkstoff zu Metallpulver zu verdüsen, LPBF-Parameterstudien durchzuführen und anschließend im Labor die initialen Ergebnisse bezüglich Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften zu ermitteln. Dabei ist Rosswag Engineering als bisher weltweit einziges Unternehmen vom TÜV Süd sowohl als „Additive Manufacturer“, als auch für die AM Metallpulverherstellung qualifiziert. Nach dem von der NASA entwickelten Technology Readiness Level (TRL) bewegt man sich mit der initialen Qualifizierung im Bereich des Nachweises der Funktionstüchtigkeit (Level 3).

Bereit für die AM Serienfertigung

Nach dem Nachweis der prinzipiellen Prozessfähigkeit des Werkstoffs wird der Gesamtprozess auf die spezifischen Anforderungen der Endanwendungen optimiert. Im Fokus steht dabei unter anderem das Post-Processing mittels Wärmebehandlung und das Finishing von Funktionsflächen. Auch die Übertragbarkeit auf andere LPBF Anlagen kann im für TRL 4-6 untersucht werden. Ziel ist die Verwendbarkeit des spezifizierten Metallpulvers auf unterschiedlichen Anlagentypen.

Ein serienreifer Werkstoff und Prozess steht am Ende jeder Qualifizierung – und ist doch erst der Anfang von vielen weiteren Qualifizierungsprozessen. Wichtige Bestandteile für das Erreichen von TRL 7-9 sind applikationsspezifische oder prozessübergreifende Standards mit optionalen Zertifizierungen und abgesicherte Werkstoffkennwerte zur sicheren Bauteilauslegung. Zusätzlich können angepasste Materialmodelle für die Simulation des additiven Fertigungsprozesses erstellt werden, um die gesamte Prozesskette von der Designphase über den AM Prozess bis hin zur Wärmebehandlung simulativ abbilden zu können und damit dem Ziel eines digitalen Zwillings der Prozesskette näher zu kommen.

Fallbeispiel: Die martensitaushärtbare Werkzeugstahllegierung Specialis®

Über die Prozesskette bei Rosswag wurde im Forschungsprojekt HiPTSLAM auch der neue Werkzeugstahls Specialis® qualifiziert. In mehreren Iterationsschleifen wurden die chemische Zusammensetzung, die Partikelgrößenverteilung, der LPBF-Prozessparametersatz und die Wärmebehandlung variiert, um ein bestmögliches Eigenschaftsprofil im resultierenden Werkstoffgefüge zu erhalten.

So sieht die LPBF-Mikrostruktur des Specialis® Werkzeugstahls aus.
So sieht die LPBF-Mikrostruktur des Specialis® Werkzeugstahls aus.
(Bild: Rosswag Engineering)

Der Kniff bei der Verarbeitung eines martensitaushärtbaren Werkstoffes ist es, dass über optimierte LPBF-Prozessparameter das Temperaturprofil im Bereich des Schmelzbades mit möglichst geringen Temperaturgradienten oberhalb der Martensitstarttemperatur gehalten wird. Durch eine anschließend homogenere und langsamere Abkühlung verbleibt in der resultierenden Gefügestruktur neben dem spröden Martensit auch Restaustenit, wodurch eine rissfreie Verarbeitung ermöglicht wird. Über nachgelagerte Wärmebehandlungsprozesse können anschließend die gewünschten mechanisch-technologischen Eigenschaften eingestellt werden.

Die Auswertung der LPBF-Mikrostruktur des Specialis® Werkzeugstahls.
Die Auswertung der LPBF-Mikrostruktur des Specialis® Werkzeugstahls.
(Bild: Rosswag Engineering)

Der neuentwickelte und qualifizierte Werkstoff erschließt mit einer erreichbaren Härte von über 60 HRC neue Anwendungsfelder zur Herstellung hochbelasteter Werkzeug-, Formen- oder Gesenkanwendungen. Der bisher am häufigsten eingesetzte martensitaushärtbare Werkzeugstahl 1.2709 kann beispielsweise maximal auf 54 HRC durchgehärtet werden. Die Anforderungen an eine hohe Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit bei gleichzeitig guter Wärmeleitfähigkeit und Zerspanbarkeit führten oft dazu, dass auf schlecht schweißbare Werkzeugstähle und damit meist auch auf konventionelle Fertigungsverfahren zurückgegriffen werden musste. Nun wird im Forschungsvorhaben weiter an einer serienreifen Prozesskette für den Specialis® Werkzeugstahl gearbeitet. Interessierte Endanwender - auch außerhalb des Konsortiums - dürfen gerne mit spezifischen Anforderungen an einem Benchmark des neuen AM Werkzeugstahls beteiligen.

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