Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 08/2015, 13.08.2015

Die Abkühlzeit ist entscheidend

An der Empa, der früheren Eidgenössischen Materialprüfungsanstalt, ist man vor dem Hintergrund des grossen, jahrzehntelang akkumulierten Wissens zu Materialien und Prozessen davon überzeugt, dass man der Entwicklung von Anlagen zur additiven Fertigung, AF, für den Einsatz im professionellen Umfeld wesentliche Impulse verleihen kann. Insbesondere fokussiert man auf den Prozess des Laserschmelzens.

Autor: Patrik Hoffmann Leiter des Laboratory Advanced Materials Processing Empa

In den letzten Jahren wurden nur wenige Materialien mittels AF, also additiver Fertigungsverfahren, verarbeitet. Bei den Metallen war es hauptsächlich die Titan Legierung Ti-6Al-4V. Fakt ist, dass die Qualität, beispielsweise die mechanischen Eigenschaften, die Dichte beziehungsweise die Porosität der Produkte, die Zugfestigkeit, die Dehngrenze und so weiter der in AM hergestellten Produkte von Maschinentyp zu Maschinetyp und sogar von Maschine zu Maschine des gleichen Typs stark variiert. Dies liegt einerseits an der ungenügenden Genauigkeit der Maschinen, aber auch an einer ungenügenden Robustheit der Prozesse.

Die hergestellten Testkörper aus dieser Legierung, welche bisher am besten untersucht wurde, müssen thermisch nachbehandelt werden. Meistens geschieht dies durch Hot Isostatic Pressing (HIP). Die Bauteile erreichen dadurch vergleichbar gute Werte wie klassisch hergestellte Teile. Sie zeigen jedoch immer noch unterschiedliche mechanische Eigenschaften, abhängig von der schichtweisen Herstellrichtung.

All diese Argumente zusammen weisen darauf hin, dass AF noch nicht reif ist für die industrielle Fertigung. Man arbeitet zur Zeit an Normen, welche diesem Herstellverfahren, das komplett anders funktioniert als die herkömmlichen, spanabhebenden Verfahren, jedoch noch nicht gerecht werden.

Grund dafür ist das Fehlen des tiefen Verständnisses des Herstellprozesses, welcher auf mehrmaligem Aufschmelzen des gesamten im Werkstück befindlichen Materials beruht und dessen Mikrostruktur – die ihrerseits die Werkstückeigenschaften bestimmt  – abhängt von Parametern wie Gesamtgrösse und Geometrie des Teils. Diese Geometrie bedingt kürzere oder längere Abkühlzeiten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten. Unterschiedlich steile Temperaturgradienten führen zu Spannungen, aufgrund derer sich Risse bilden können. Spannungen wie Risse kann bisher keine Nachbehandlung komplett heilen.

Gründe für die Unregelmässigkeiten sind erstens grosse Qualitätsunterschiede in den Pulvern, wie deren chemische Zusammensetzung, deren Reinheit, ihre Wasseranteile, Öle, die Oxidschichtdicke, die adsorbierten Gase etc. Aber auch die Form der einzelnen Partikel, die Partikelgrössenverteilung und vieles mehr wirkt sich aus. All diese nicht einfach zu kontrollierenden Parameter beeinflussen den Prozess stark.

Fast alle kommerziellen Geräte benutzen kontinuierlich Licht ausstrahlende Laser, sogenannte Continous-Wave-Laser oder cw-Laser, welche mit konstanter Intensität und konstanter Intensitätsverteilung in ihrem Strahl die vom AF-Programm berechneten Bereiche der Pulverschicht abfahren. Unterschieden wird zur Zeit nur in Rand und Mitte des Werkstückdesigns.

Der Wärmefluss ins Material hängt aber von weiteren Parametern ab, welche zur Zeit nicht erfasst werden, wie der spezifischen lokalen Geometrie des Werkstücks, der Zeit, vom Wärmefluss seit der letzten Bestrahlung sowie dem Abstand der letzten Bestrahlung in der Nähe des Auftreffpunktes. Damit sind aber erst ein paar von vielen Faktoren genannt.

Die im Moment bei den fortschrittlichsten AF-Anlagen in der Entwicklung befindliche Methode der Videoaufnahme des Pulverbettes vor der Bestrahlung, reicht bei Weitem nicht aus, um die nötige Lichtintensität vorherzusagen, die gebraucht würde, um den Prozess erfolgreich an jedem Punkt durchführen zu können.

Gebraucht werden «in-process» – also in Echtzeit – messende, sehr schnelle Detektionsmethoden, die den Wärmefluss genau an dem Punkt auf dem zu konstruierenden Werkstück messen können, wo der Laserstrahl als Nächstes hingeführt wird. Solche Detektionsverfahren müssen noch erfunden werden. Sobald es diese geben wird – die Empa arbeitet daran – müssen diese Daten blitzschnell an den Laser weitergegeben werden, um die korrekte Leistung auf den Punkt zu senden, an dem sich der Laserstrahl im selben Moment befindet. Dies muss sehr schnell gehen.

Moderne diodengepumpte Laser erlauben eine solche «Realtime Intensity Modulation». Deshalb sieht man heutzutage eine Chance, den AF-Prozess unter kontinuierlicher Kontrolle durchführen zu können. Bisherige Laser, wie die gepulsten oder kontinuierlichen lampengepumpten Nd:YAG Laser, konnten keine genügend schnelle Änderung der Intensität erreichen, wegen der systembedingten Trägheit ihrer Entladungslampen. Ein grosser Teil all dieser Aussagen können im Artikel «Metal Additive Manufacturing: A Review» William E. Frazier nachgelesen werden.

Speziell zur Frage der Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit und Verbesserung der Oberflächenqualität, die von Seiten der Industrie oft gefordert wird, gibt es einige, in der Folge dargestellte Punkte zu berücksichtigen.

Die Geschwindigkeit mit der man ein Pulver aus einem gegebenen Material aufschmelzen kann, hängt sehr stark vom Material und dessen thermischen Eigenschaften ab, insbesondere sind Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärme und Dichte sowie Schmelzpunkt und Phasenumwandlungen entscheidend, im Weiteren die Pulvereigenschaften wie Schüttdichte, Art und Anzahl der Kontaktpunkte zwischen den Partikeln und so weiter. Es braucht eine gewisse Energiezufuhr, die langsam oder schnell erfolgen kann, allerdings nie schneller, als es die oben genannten Parameter erlauben. Durch Erhöhung der Laserleistung auf gleicher fokussierter Fläche zum Beispiel würde man kein grösseres Schmelzbad erhalten, sondern nur einen grösseren Teil des Materials aus dem Schmelzbad verdampfen, also den Prozess weniger effizient machen.

Ein sicherer Weg des Laser-Pulverschmelzens erfolgt deshalb folgendermassen: Der Laserstrahl, auf eine gewisse Grösse fokussiert, schiebt ein Schmelzbad vor sich her. Wenn nun entweder durch Erhöhung der Scangeschwindigkeit, oder durch viel bessere Wärmeabfuhr das Schmelzbad schrumpft, und ein grösserer Teil des Laserstrahls Pulverpartikel direkt bestrahlt, werden diese überhitzt. Der dabei entstehende Dampf schiesst diese oder andere Partikel weg.

Beim Starten einer neuen Laserschmelzlinie werden ebenfalls Partikel direkt bestrahlt bevor das Schmelzbad gebildet wird. Den Effekt von solchen sehr heissen, «strahlenden» Partikeln, die vom Laserauftreffpunkt wegfliegen, sieht man oft in Videoaufnahmen von Laser-AF-Prozessen. Der beschriebene Vorgang erkärt, weshalb die maximale Verfahr- oder Scangeschwindigkeit des Laserstahls bei einem gegebenen Strahldurchmesser auch durch die Pulverschichtdicke bestimmt wird.

Will man eine höhere Produktionsgeschwindigkeit erreichen, kann man zwar mit grösseren Strahldurchmessern arbeiten, braucht dazu aber auch eine höhere Laserleistung, was mit der derzeitigen Vergrösserung der Laserleistung von Faserlasern und Scheibenlasern möglich wird. Dabei erhält man aber eine schlechtere Oberflächenrauheit an den Wänden und Ecken, diese werden gemäss dem grösseren Laserstrahldurchmesser runder. Verdampfen von Material und Schmelzaustrieb können nur verhindert werden, indem man mit der Lichtintensität niedrig genug bleibt. Dies ist jedoch nur möglich, wenn man mit dem Strahl so langsam fährt, dass man damit im Schmelzbad bleibt.

Deshalb ist der einzige Ausweg aus diesem Dilemma die Benutzung mehrerer Laserstrahlen, um bei gegebener maximaler Geschwindigkeit dennoch eine insgesamt grössere Strecke abfahren zu können.

Bei gesteigerter Produktivität wird dann an einem bestimmten Punkt die Pulverhandlingtechnologie zum Nadelöhr in Bezug auf die Gesamtherstellzeit werden, da das Aufbringen einer Schicht im Pulverbettverfahren ebenfalls immer eine gewisse Zeit in Anspruch nehmen wird.

Zum Schluss noch ein Wort zur Richtung der Aktivitäten der Empa im Bereich AF: Einerseits ist das «Forschen und Entwickeln von Echtzeitmessungen der Prozesse für die Qualitätskontrolle und Dokumentation» ein Themenkreis, ein zweiter die «Pulver- und Materialentwicklung speziell angepasst an additive Herstellverfahren» an mehreren Standorten in der Schweiz sowie integriert in und koordiniert mit den sich formierenden Schweizer Advanced Manufacturing Netzwerken.


Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Empa
3602 Thun, Tel. 058 765 62 62
patrik.hoffmann@empa.ch, www.empa.ch



Wenn beim AF-Laserprozess glühende Partikel aus dem Pulverbett wegspritzen, ist der Schweissprozess suboptimal. (Bild: EOS)


Patrik Hoffmann, Leiter des Laboratory Advanced Materials Processing Empa bei den Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology in Thun. (Bilder: Empa)


Vertikalschnitt durch die Schmelze im Pulverbett: Die einzelnen Pulverkörner werden an der Grenzfläche zur Schmelze sehr schnell überhitzt und verdampfen.


Mit steigender Scangeschwindigkeit des Lasers (x-Achse) müssen Leistung (y-Achse) und Strahldurchmesser eines afokalen Laserstrahls für konstante Bestrahlzeit und Intensität (hier: 2,5 × 10⁶ W/cm²) überproportional wachsen, um Metallpulver erfolgreich zu schmelzen. (Grafik: Empa)



Schliffbilder einer korrekten (unten) und fehlerhaften Laserschweissung (oben; mit Einschlüssen); die Bilder stammen zwar nicht aus einem AF-Prozess, bei diesem ist der Effekt in partiell überhitzten Pulverzonen derselbe.

Steigerung der Scangeschwindigkeit ist heikel

Aus Publikationen ergibt sich für additives Metallschmelzen im Pulverbett ein mittlerer Wert für die nötige Laserlichtintensität von 2,6 MW pro 1 cm². Aus den veröffentlichten höchsten Scangeschwindigkeiten des Laserstrahls und den angegebenen Strahldurchmessern kann man die mittlere Beleuchtungszeit abschätzen. Sie liegt bei 1/10 Millisekunde. Mit diesen optimistischen Werten – effektiv wird fünf- bis zehnmal langsamer gefahren – kann das Aufschmelzen von Metallpulvern erreicht werden.

Nimmt man diese Werte als Zielgrösse und trägt die benötigte Laserleistung als Funktion der Scangeschwindigkeit auf, sieht man, dass mit zunehmender Geschwindigkeit sowohl der Strahldurchmesser wie auch die Laserleistung grösser gewählt werden muss. Da ein grosser Strahldurchmesser die Präzision des Verfahrens limitiert, macht es keinen Sinn, mit einem grösseren Strahldurchmesser schneller und präziser arbeiten zu wollen. Dies ist nur möglich mit kleineren Durchmessern, die jeweils langsamer fahren, aber mit vielen Laserstrahlen gleichzeitig arbeiten. Heute ist dies noch Zukunftsmusik.