Untersuchung des Einflusses der PBF-LB-Stellgrößen auf die zerspanende Bearbeitung additiv gefertigter Stahlbauteile

Die additiven Fertigungsverfahren ermöglichen eine höhere Geometriefreiheit bei der Produktion von Bauteilen. Das vorherrschende Verfahren ist das selektive Laserstrahlschmelzen, welches auch als PBF-LB (Powder Bed Fusion – Laser Beam) bezeichnet
wird.
In der Werkzeugfertigung können mit diesen Verfahren funktionsoptimierte Bauteile mit beispielsweise innenliegenden Kühlkanälen realisiert werden. Im Bereich der additiven Fertigung mittels Pulverbettverfahren können aktuell nur wenige Werkzeugstähle verarbeitet werden. Eine effiziente Qualifizierung neuer Werkstoffe für den PBF-LB-Prozess stellt eine große Herausforderung dar, wobei die gesamte Prozesskette betrachtet
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werden sollte.
In aktuellen Arbeiten wird bereits die fräsende Nachbearbeitung von additiv hergestellten Werkzeugstählen untersucht. Diese wird mit der Bearbeitung von konventionell hergestellten Werkzeugstählen verglichen und der Einfluss der Aufbaurichtung sowie der Einfluss der Wärmebehandlung auf die Nachbearbeitung werden betrachtet. Ein Einfluss der PBF-LB-Stellgrößen, welche das Gefüge, die Härte und die relative Dichte der Bauteile, ebenfalls maßgeblich beeinflussen, wird noch nicht betrachtet.
Das Ziel dieser Arbeit ist es den Einfluss der PBF-LB-Stellgrößen auf die fräsende Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile zu untersuchen und ein Vorgehen für die schnelle Qualifizierung neuer Werkzeugstähle für die Prozesskette PBF-LB und Fräsen zu entwickeln.
In der Arbeit werden der Einfluss der Volumenenergiedichte, der Laserleistung, der Scangeschwindigkeit und des Spurabstands im PBF-LB-Prozess und der Schnittgeschwindigkeit, des Vorschubs und der Zustellung im Fräsprozess am Werkstoff 1.2709 untersucht und am Werkstoff Specialis® SLM-Alloy 2 validiert. Dabei zeigen das Stirn- und das Umfangsfräsen ähnliche Zusammenhänge. In beiden Fällen ist der Einfluss der PBF-LB-Stellgrößen auf die Oberflächenrauheit und die Prozessschwingungen und –kräfte größer als der Einfluss der Stellgrößen im Fräsprozess. Die Volumenenergiedichte, welche die untersuchten Größen Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Spurabstand vereint, kann für die Bestimmung eines Bearbeitungsfensters entlang der Prozesskette nicht gewählt werden. Im Anschluss wird der Verzug dünnwandiger Bauteile entlang der Prozesskette untersucht. In diesem Fall kann die Volumenenergiedichte als Haupteinflussgröße betrachtet werden, da die eingebrachte Energie während des PBF-LB-Prozesses die Größe der Eigenspannungen im Bauteil bestimmt. Der zudem gewählte Auslagerungsprozess führt bei der Bearbeitung der Bauteile beider Werkstoffe zu einer Verdopplung der Schnittkräfte und zu einer Halbierung des Verzugs.

Additive manufacturing processes allow greater geometrical freedom in the production of components. The predominant process is selective laser beam melting, also known as PBF-LB (Powder Bed Fusion - Laser Beam).
In tool manufacturing, these processes can be used to realize functionally optimized components with, for example, internal cooling channels. Only a few tool steels can currently be processed in the area of additive manufacturing using powder bed processes. Efficient qualification of new materials for the PBF-LB process represents a major challenge, whereby the entire process chain should be considered. ... mehr
Current work is already investigating the milling post-processing of additively manufactured tool steels. This is compared with the machining of conventionally produced tool steels and the influence of the build-up direction as well as the influence of the heat treatment on the post-machining is considered. An influence of the PBF-LB parameters, which also significantly affect the microstructure, hardness and relative density of the components, is not yet considered.
The aim of this work is to investigate the influence of the PBF-LB parameters on the milling post-processing of additively manufactured components and to develop a procedure for the rapid qualification of new tool steels for the PBF-LB and milling process chain.
In this work, the influence of volume energy density, laser power, scan speed and hatch-distance in the PBF-LB process and cutting speed, feed rate and infeed in the milling process are investigated on the material 1.2709 and validated on the material Specialis® SLM-Alloy 2. Here, face milling and circumferential milling show similar relationships. In both cases, the influence of the PBF-LB parameters on the surface roughness and the process vibrations and forces is greater than the influence of the parameters in the milling process. The volume energy density, which combines the investigated variables laser power, scan speed and hatch-distance, cannot be chosen for the determination of a machining window along the process chain. Subsequently, the distortion of thin-walled components along the process chain is investigated. In this case, the volume energy density can be considered as the main influencing variable, since the energy introduced during the PBF-LB process determines the magnitude of the residual stresses in the component. In addition, the selected aging process leads to a doubling of the cutting forces and to a halving of the distortion when machining the components of both materials.