Additive Fertigung: High-Speed bei der Werkstoffqualifizierung

Vierhundert unterschiedliche Werkstofflegierungen und ein Lager, das 6.000 Tonnen Material umfasst – Rosswag ist einer der großen Player, wenn es um das Schmieden geht. Aber auch für die additive Fertigung erhöht das Unternehmen zusehends die Anzahl an qualifizierten Werkstoffen. Eine wohl einmalige End-to-End-Prozesskette führt dabei zu Zeit- und Kostenvorteilen bei der Qualifizierung neuer Werkstoffe. › von Gregor Graf, Head of Engineering

Rosswag Engineering wird als kompetenter Entwicklungspartner stetig mit neuen Kundenanforderungen konfrontiert und bietet über eine firmeninterne, ganzheitliche Prozesskette individuelle Lösungen an. Bei der additiven Fertigung im Pulverbettverfahren geht es meist um komplexe Werkstoff- und Prozesslösungen, die noch nicht existieren und auch selten oder unvollständig im wissenschaftlichen Umfeld untersucht sind.

Viel Zeit für die Materialqualifizierung bleibt oft nicht: Die wenigsten Anwender möchten dutzende Wochen warten, bis der dringend benötigte Werkstoff zum ersten Mal zu Metallpulver verdüst wird. Auch nachfolgende Parameterstudien und werkstoffwissenschaftliche Auswertungen können mehrere Wochen oder gar Monate in Anspruch nehmen. Rosswag Engineering hat es sich daher das Ziel gesetzt, die gesamte Qualifizierungskette innerhalb von wenigen Wochen zu durchlaufen.

Qualifizierung mit Top Speed

Teilweise realisiert das Unternehmen Durchlaufzeiten unterhalb von drei Wochen. Damit können innerhalb kürzester Zeit auf Basis von experimentellen Ergebnissen Entscheidungen getroffen werden, ob die geplante Vorgehensweise zielführend ist und Time-to-Market-Zyklen bei den Endkunden effektiv beschleunigt werden können.

Rosswag betreibt seit Ende 2017 selbst eine AU3000-Verdüsungsanlage vom Hersteller Blue Power, die speziell für häufige Materialwechsel und hohe Reinheit bei der Herstellung kleiner Mengen Sondermetallpulver (kleiner 50 Kilogramm) entwickelt wurde. Eine Kleinmenge von 10 Kilogramm Pulver kann, sobald das Rohmaterial verfügbar ist oder im Schmelztiegel individuell zulegiert wird, innerhalb eines Arbeitstages hergestellt und für den SLM-Prozess durch Sieben und Sichten aufbereitet werden. Partikelgrößenverteilung, Partikelform, Fließfähigkeit und andere relevante Parameter werden vor der Verwendung der Metallpulver in den SLM-Anlagen überprüft.

Diese Kleinmenge Metallpulver reicht für initiale Parameterstudien auf den Anlagen aus. Die Prozessparameter werden derzeit noch auf Basis von Erfahrungswerten in einem geeigneten Prozessfenster variiert. Zukünftig möchte Rosswag auch auf Prozesssimulationen in Ansys zurückgreifen können (Ansys Additive Science –www.ansys.com/products/structures/ansys-additive-suite/additive-suite-capabilities). Grade hierdurch eröffnen sich im Bereich der Qualifizierung neue Potentiale die zum einen zu einer weiteren Verkürzung der Qualifizierungszeit führen sollen und zum anderen die Qualität der erzielten Ergebnisse zudem deutlich verbessern soll.

Analyse und Optimierung

Die aus den Sonderpulver hergestellten Probekörper, meist Schliffwürfel und Flachzugproben, werden anschließend im hauseigenen Werkstofflabor analysiert und erprobt. Rosswag hat im das Labor im vergangenen Jahr aufgerüstet. Beispielsweise ist nun auch die chemische Vollanalyse, inklusive CS/ONH-Analyse, mit Geräten von Bruker möglich. Neben den Untersuchungen von Porosität und Gefügestruktur in geätzten Mikroschliffen unter dem Stereomikroskop sind nun auch Abweichungen in der chemischen Zusammensetzung über die gesamte Prozesskette hinweg gegenüber dem eingesetzten Rohmaterial detektierbar.

Die Ergebnisse lassen in weiteren Entwicklungsiterationen mögliche Legierungsanpassungen vor der erneuten Metallpulverherstellung zu, um gezielt beeinflusste Legierungszusammensetzungen im additiv hergestellten Bauteil am Ende der Prozesskette zu erhalten. Dies führt in Verbindung mit geeigneten Wärmebehandlungen zu den gewünschten Werkstoffeigenschaften.

Am Ende des Qualifizierungsprozesses liegen umfangreiche Datensätze vor, die sich aus Metallpulvereigenschaften, SLM-Prozessparametern und mechanisch-technologischen, chemischen und metallographischen Werkstoffeigenschaften der zu untersuchenden Materialien zusammensetzen. Diese dienen beispielsweise als Grundlage für weitere Optimierungsiterationen, um die Legierung weiter an die Anwendung anzupassen.

Simulation kommt ins Spiel

Dieser Ansatz führt zu einer erweiterten Anwendung der Simulation. Ein wesentliches Ziel ist hier nicht nur die Werkstoffeigenschaften zu optimieren und die Qualifizierung im additiven Fertigungsprozess, sondern auch die Bauteilherstellung möglichst detailliert vorauszuplanen. Es lassen sich hier typische Charakteristiken des zukünftigen Bauteils in Verbindung mit dem Fertigungsprozess betrachten – wie etwa große Querschnittsänderungen oder filigrane Geometrien und andere kritische Bauteilbereiche – und damit einhergehende Prozesseinflüsse bezüglich Wärmeleitung und Eigenspannungen einschätzen.

Grade anspruchsvolle geometrische Features und hochfunktionale Bauteile können dazu führen, dass Prozessparameter zwar grundsätzlich für ein durchschnittlich gutes Bauteil geeignet sind, aber in anspruchsvollen Anwendungen durch erhöhte Porosität oder schlechte Oberflächenqualität nicht optimal performen.

Das Zusammenspiel aus Pulvermetallurgie und Prozessparametern und die daraus resultierenden Anpassungen lässt sich mit einer darauf abgestimmten End-to-End-Prozesskette jedoch in den Griff bekommen. Eine Synergie aus der Bauteilgeometrie, dem additiven Fertigungsprozess und der verwendeten Metalllegierung führt zu einem optimierten Produktionsergebnis.

Im Idealfall führen initiale Materialqualifizierungsprozesse zu guten Ergebnissen, auf deren Basis dann auch ganzheitliche Prozessketten für die Herstellung, Bearbeitung und Prüfung der additiv gefertigten Bauteile qualifiziert werden können. Rosswag bietet seinen Kunden durch umfangreiche Simulations- und CAD-Tools, die firmeninterne Wärmebehandlung und CNC-Bearbeitung sowie umfangreiche Mess-, Prüf- und Analyseperipherie alle Möglichkeiten, um auch die Bauteilherstellung vom Prototyp bis zur Serie nach Kundenanforderung zu begleiten.

Diese Vielfalt an Prozessen und Dienstleistungen für die Qualifizierung und Herstellung von Metallpulvern und AM-Bauteilen ist vermutlich einzigartig. Mit dieser Effizienz und Flexibilität möchte Rosswag Engineering die Akzeptanz und Verbreitung der gesamten additiven Fertigungstechnologie weiter vorantreiben. jbi ‹

Gregor Graf ist Head of Engineering bei Rosswag.

Bilder: Rosswag