Teilprojekt A02 – Sonderforschungsbereich 1368: Sauerstofffreie Produktion

Ausgangslage

Durch Laserstrahlschmelzen von Ti-6Al-4V hergestellte Oberfläche mit inhomogenen Schmelzspuren und Spritzerpartikeln © LZH

Das PBF-LB Verfahren (Laser-Based Powder Bed Fusion, auch Selektives Laserstrahlschmelzen) ermöglicht die additive Fertigung filigraner und individualisierter Bauteile aus metallischen Pulverwerkstoffen. Die Verarbeitung sauerstoffaffiner Werkstoffe, wie Titan und Titanlegierungen, stellt dabei eine besondere Herausforderung dar. Der Restsauerstoff der Prozessatmosphäre wird sowohl in die gefertigten Bauteile als auch in das nicht aufgeschmolzene Pulver aufgenommen, das anschließend gesiebt und wiederverwendet wird. Darüber hinaus werden Oxidschichten gebildet. In der Folge kommt es zu einer Verminderung der Bauteil- und Pulverqualität. Spezifikationen, insbesondere in Luft- und Raumfahrt sowie der Medizintechnik, können nicht mehr eingehalten werden.

In der ersten Förderperiode wurde daher eine innovative Laboranlage aufgebaut, welche durch die Verwendung von silandotiertem Argon die Prozessdurchführung in einer XHV-adäquaten Atmosphäre erlaubt. Der Prozess konnte anhand der Verarbeitung der Legierung Ti-6Al-4V etabliert werden. Bauteile mit einer Porosität von unter 0,1 % können hierbei unabhängig von der Atmosphäre erreicht werden, sodass der Werkstoff auch in konventioneller Argonatmosphäre gut verarbeitbar ist. Im Vergleich zur Argonatmosphäre kam es in XHV-adäquater Atmosphäre jedoch zu einer signifikanten Reduktion von Spritzeranzahl und -oxidation. Dies zeigt das Potential für eine signifikante Reduktion der Pulverdegradation, die Verbesserung der Recyclingfähigkeit und damit eine Erhöhung von Ressourceneffizienz und Wirtschaftlichkeit des PBF-LB Verfahrens auf.

Es wurde ein grundlegendes Prozessverständnis für den PBF-LB Prozess in XHV-adäquater Atmosphäre entwickelt und der Einfluss der Reaktionsprodukte auf Prozessführung, Pulver- sowie Bauteileigenschaften charakterisiert. Durch die XHV-adäquate Atmosphäre und darin erzeugte Siliziumdioxid-Nanopartikel kann das Pulver zudem vorteilhaft modifiziert werden. Als wesentliche Herausforderungen konnten die Restfeuchtigkeit in Pulver und Atmosphäre sowie eine unzureichend angepasste Gasströmung zum Abtransport der Reaktionsprodukte identifiziert werden.

Ziele

in der zweiten Förderperiode soll diesen Herausforderungen mit verschiedenen Lösungsansätzen bei der Verarbeitung von Reintitan (CP-Ti, commercially pure titanium) begegnet werden. Dieser Werkstoff wurde als Erweiterung zu Ti-6Al-4V ausgewählt, da er insbesondere in der Medizintechnik (Dentaltechnik) von hoher Relevanz ist. Zudem weist er eine gegenüber Ti-6Al-4V gesteigerte Reaktivität auf und ist daher derzeit noch nicht mit vergleichbar hohen Bauteilqualitäten zu verarbeiten. Der Atmosphäre, einschließlich der darin befindlichen oxidativ wirkenden Feuchtigkeit, die die Defektentstehung maßgeblich beeinflusst, kommt daher hier eine besondere Bedeutung zu. Durch die erfolgreiche Etablierung des Prozesses in XHV-adäquater Atmosphäre in der ersten Förderphase kann dieser nun auf anspruchsvollere Werkstoffsysteme erweitert werden.

In der zweiten Förderperiode soll ein tieferes Verständnis der Wirkmechanismen über die reine Prozesszone hinaus entwickelt werden. Das verwendete Pulver, die gefertigten Proben sowie nachfolgende spanende Bearbeitungsverfahren werden in enger Kooperation mit anderen Teilprojekten hinsichtlich des Einflusses von Sauerstoff und Feuchtigkeit sowie deren Elimination analysiert. Als Basis für eine Abgrenzung der Effekte von Restsauerstoff und Restfeuchtigkeit sollen Trocknungsprozeduren sowohl für das Pulver als auch die Prozessatmosphäre entwickelt werden. Darüber hinaus wird die Prozessüberwachung erweitert, sodass eine Klassifizierung der Prozesszustände ermöglicht und damit der Grundstein für eine prozessbegleitende Qualitätssicherung gelegt wird.

Veröffentlichungen

Zeitschriftenbeiträge, begutachtet

Demke, T. M., Emminghaus, N., Overmeyer, L., Kaierle, S., Klose, C., Thürer, S. E., Denkena, B., Bergmann, B., Schaper, F., Nyhuis, P., Kuprat, V. K. (2024): Approach for the monetary evaluation of process innovations in early innovation phases focusing on manufacturing and material costs, Production Engineering 18, pp. 169–189
DOI: 10.1007/s11740-023-01223-5
Emminghaus, N., Bernhard, R., Hermsdorf, J., Kaierle, S. (2022): Residual oxygen content and powder recycling: effects on microstructure and mechanical properties of additively manufactured Ti-6Al-4V parts, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 121, pp. 3685–3701
DOI: 10.1007/s00170-022-09503-7
Emminghaus, N., Bernhard, R., Hermsdorf, J., Kaierle, S. (2022): Determination of optimum process parameters for different Ti-6Al-4V powders processed by Laser-based Powder Bed Fusion, Procedia CIRP 111, pp. 134–137
DOI: 10.1016/j.procir.2022.08.052
Emminghaus, N., Bernhard, R., Hermsdorf, J., Kaierle, S. (2022): Laser-based powder bed fusion of Ti-6Al-4V powder modified with SiO2 nanoparticles, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 122, pp. 1679–1694
DOI: 10.1007/s00170-022-09944-0
Emminghaus, N., Fritsch, S., Büttner, H., August, J., Tegtmeier, M., Huse, M., Lammers, M., Hoff, C., Hermsdorf, J., Kaierle, S. (2021): PBF-LB/M process under a silane-doped argon atmosphere: Preliminary studies and development of an innovative machine concept, Advances in Industrial and Manufacturing Engineering, p. 100040
DOI: 10.1016/j.aime.2021.100040
Emminghaus, N., Hoff, C., Hermsdorf, J., Kaierle, S. (2021): Residual oxygen content and powder recycling: Effects on surface roughness and porosity of additively manufactured Ti-6Al-4V, Additive Manufacturing 46, p. 102093
DOI: 10.1016/j.addma.2021.102093

Dissertationen

Emminghaus, N. (2024): Additive Fertigung von Ti-6Al-4V im selektiven Laserstrahlschmelzverfahren unter XHV-adäquater Atmosphäre, Dissertation, Leibniz Universität Hannover | Datei |
ISBN: 9783959009256

Beiträge in Büchern

Emminghaus, N., Fritsch, S., Büttner, H., August, J., Tegtmeier, M., Huse, M., Lammers, M., Hoff, C., Hermsdorf, J., Kaierle, S. (2021): Entwicklung eines innovativen Anlagenkonzepts für die Verarbeitung von Ti-6Al-4V im LPBF-Prozess unter silandotierter Argonatmosphäre, In: Lachmayer, R., Rettschlag, K., Kaierle, S. (Hg.): Konstruktion für die Additive Fertigung 2020. Berlin, Heidelberg: Springer, pp. 301–320
DOI: 10.1007/978-3-662-63030-3_16
ISBN: 978-3-662-63030-3

Konferenzbeiträge, nicht begutachtet

Emminghaus, N., Bernhard, R., Hermsdorf, J., Overmeyer, L., Kaierle, S. (2023): Laser-based powder bed fusion of Ti-6Al-4V structures with different surface-area-to-volume ratios in oxygen-reduced and oxygen-free environment, In: Clausthaler Zentrum für Materialtechnik (Hg.): Tagungsband 4 . Symposium Materialtechnik. Düren: Shaker Verlag.
DOI: 10.21268/20230711-12
ISBN: 978-3-8440-9105-2
Emminghaus, N., Hoff, C., Hermsdorf, J., Kaierle, S. (2021): Influence of laser focus shift on porosity and surface quality of additively manufactured Ti-6Al-4V, In: WLT (Hg.): Lasers in Manufacturing Conference Proceedings 2021
Tegtmeier, M., Emminghaus, N., August, J., Lammers, M., Hoff, C., Hermsdorf, J., Overmeyer, L., Kaierle, S. (2021): Development of a machine concept for the processing of Ti-6Al-4V in the PBF-LB/M process under silandized argon atmosphere, In: WLT (Hg.): Lasers in Manufacturing Conference Proceedings 2021.