Ausgabe 07 | 2022

Stähle mit massgeschneiderten Eigenschaften

RWTH Aachen University

Powder Blends machen es möglich: Additiv gefertigte Stähle mit massgeschneiderten Eigenschaften Dank gezielt zusammengesetzter Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Legierungen – noch ist die Auswahl auf dem Markt sehr limitiert.

Dabei ermöglichten speziell für das LPBF zusammengesetzte Legierungen eine optimale Fertigung sowie anwendungsangepasste mechanische und mikrostrukturelle Komponenten-Eigenschaften. Die Herstellung solcher LPBF-Legierungen mittels Powder Blends ist ein vielversprechender Ansatz: Vorlegierte, bereits etablierte Pulverwerkstoffe werden in ihrer chemischen Zusammensetzung durch Zugabe elementarer Pulver gezielt beeinflusst. Wissenschafterinnen und Wissenschafter des Lehrstuhls Digital Additive Production DAP und des Instituts für Eisenhüttenkunde IEHK der RWTH Aachen stellten diesen Ansatz auf die Probe und konnten in ihren Versuchen die Eigenschaften additiv hergestellter Stähle gezielt modifizieren.
«Geometry for free» und «Complexity for free», das sind die Kernbotschaften des Additive Manufacturing (AM). Eigentlich aber geht noch mehr: Auch die mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften der aufgebauten Komponenten können durch gezielte Zusammensetzungen des Pulverwerkstoffs an spätere Anwendungsanforderungen angepasst werden. Das AM-Verfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) greift zu diesem Zweck derzeitig auf vorlegierte Pulverwerkstoffe zurück. Sie sind zwar bereits in einigen pulverbasierten AM-Verfahren etabliert, jedoch nicht speziell für das LPBF entwickelt und weisen ein entsprechendes Optimierungspotenzial auf. Hier setzt das sogenannte Rapid Alloy Development (RAD) an: Vorlegierte Pulverwerkstoffe werden unter anderem als Ausgangsbasis genutzt und durch Zugabe elementarer Pulver zweckvoll verändert, um für die LPBF-Verarbeitung effizient optimiert zu werden – es entstehen Powder Blends.

Über Kohlenstoff zu massgeschneiderten Eigenschaften
Im Anwendungsbeispiel des Lehrstuhls DAP und des Instituts IEHK modifizierten die Forschenden die Eigenschaften eines vorlegierten Stahlpulvers (X30Mn22) durch präzise Anpassung des Kohlenstoffgehalts (C). Kohlenstoff hat einen grossen Einfluss auf die Verarbeitbarkeit des Werkstoffs im LPBF-Prozess sowie die Zugfestigkeit und Bruchdehnung der gefertigten Komponenten.
Zur Untersuchung der Eigenschaften bei unterschiedlichen Pulverzusammensetzungen wurden Powder Blends bestehend aus X30Mn22-Pulver und verschieden hohen Anteilen Kohlenstoffpulver für den LPBF-Prozess qualifiziert (bis zu 1,2 wt Prozent C); dabei konnte für alle Zusammensetzungen eine relevante Dichte von >99,8 Prozent erreicht werden.
Nach erfolgreicher LPBF-Prozessqualifizierung zur Verarbeitung der Powder Blends wurden weitere Proben zur Analyse der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften hergestellt. Eine Elektronenstrahlmikroanalyse zeigte, dass sich der Kohlenstoff gleichmässig in der Matrix verteilt und somit in die Legierung übergegangen ist. Das Bild zeigt diesen homogenen Übergang durch die gleichmässige Veränderung der Farbe. Ausserdem verglichen die Wissenschafterinnen und Wissenschafter das Verhalten der Proben, die aus Powder Blends hergestellt wurden, mit den bekannten Eigenschaften der Proben, die aus vorlegiertem Stahlpulver der Ausgangszusammensetzung gefertigt wurden. Zugversuche zur Analyse der mechanischen Eigenschaften belegten die erfolgreiche Anpassung der Pulverwerkstoffeigenschaften: Die Zugfestigkeit als auch die Bruchdehnung variieren gemäss der Zugabe der Kohlenstoffmenge.

Powder Blends die Lösung zur Herstellung von AM-Pulverwerkstoffen?
Die gewonnenen Untersuchungsergebnisse zeigen: Die am Lehrstuhl DAP und Institut IEHK entwickelte RAD-Vorgehensweise auf Basis von Powder Blends ist ein vielversprechender Ansatz zur schnellen und ressourceneffizienten Qualifikation und Entwicklung AM-optimierter Legierungen. Darüber hinaus kann die chemische Legierungszusammensetzung mithilfe dieses Ansatzes justiert werden, um die mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften der zu fertigenden Komponenten gezielt zu beeinflussen und reproduzierbar herzustellen.

Ausblick
Zukünftig wird das mechanische Verhalten konkreter Komponenten, die aus AM-optimierten Powder-Blend-Legierungen hergestellt wurden, genauer erforscht. Zudem werden ihre Eigenschaften mit denen verglichen, die Komponenten aufweisen, die ausschliesslich aus vorlegiertem Pulver hergestellt wurden, um weitere mögliche Vorteile zu identifizieren.

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