Charakterisierung prozess- und geometrieabhängiger Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile aus AlSi10Mg mittels µCT

Die additive Fertigung komplexer Bauteile mittels des Laser-Powder-Bed-Fusion-Prozesses bietet eine große Designfreiheit bei der Fertigung metallischer Bauteile für Prototypen und Kleinserien. Die mechanischen Eigenschaften dieser Bauteile werden jedoch durch vereinzelte große Poren sowie Porenkonzentrationen und eine inhomogene Oberflächenstruktur bestimmt, die zudem von der Bauteilgeometrie und der Prozessführung abhängen. Aufgrund dieser Wechselwirkungen sind die Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen immer noch wenig verstanden, was den Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungen erschwert.
Der Lokalität und Inhomogenität der Mikrostruktur kann mit einer µCT-Charakterisierung begegnet werden.
Allerdings fehlen bislang Auswertemethoden, die ein Verständnis der Wechselwirkung zwischen Scanstrategie, Geometrie und Poren- sowie Oberflächenstruktur ermöglichen.
In der vorliegenden Arbeit werden daher zunächst Auswertemethoden für µCT-Daten entwickelt. Diese gestatten eine Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Prozessführung und Porenarchitektur sowie eine prozessorientierte Analyse der Oberflächentopographie. Anschließend werden additiv gefertigte Testgeometrien mit verschiedenen Scanstrategien gefertigt und mit Hilfe dieser Methoden analysiert. ... mehr
Für den Parameterbereich des Bahnabstandes kann erstmals nicht nur eine obere Grenze mit der Entstehung von LoF-Poren, sondern auch eine untere Grenze mit der Entstehung von instabilitätsbedingten Poren identifiziert und begründet werden. Weiterhin werden Wechselwirkungen der Scangeschwindigkeit mit der Bauteilgeometrie untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass unterschiedliche Prozessparameter, welche die Wandstärke und den Bauwinkel berücksichtigen, gewählt werden müssen, um die Porosität zu minimieren.
Um eine Reduktion der Keyhole-Poren zu erreichen, werden Scanmuster untersucht, welche die Anzahl der Endpunkte des Pfades verringern. Diese führen jedoch gleichzeitig zu einem Anstieg der LoF-Porosität. Die von der µCT-Analyse gelieferten Daten erlauben die informierte Entwicklung eines verbesserten Scanmusters, welches gleichzeitig zu einer Reduktion der Poren an Endpunkten und LoF-Poren führt.
Die neu entwickelte Methode zur Charakterisierung von Oberflächen aus µCT-Daten erlaubt die Auswertung von Rauheitsparametern auf der gesamten Oberfläche additiv gefertigter Bauteile, wobei die Visualisierung der Parameter auf der Geometrie das Auffinden kritischer Stellen erleichtert. Je nach Bauwinkel führt eine niedrige oder eine hohe Scangeschwindigkeit zu geringeren Rauheiten. Analog zu den Rauheitsparametern werden Parameter für die oberflächennahe Porosität eingeführt.
Diese Charakterisierungsmethode wird schließlich verwendet, um den Versagensort von Probekörpern unter schwingender Beanspruchung anhand der lokalen Oberflächengüte vorherzusagen. Hierbei kann der Versagensort in 50% der Fälle exakt bestimmt und in 13 von 14 Fällen auf eine Auswahl von zehn Orten eingegrenzt werden. Die entwickelten Methoden bieten somit einen vielversprechenden Ansatz, um das Verständnis der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in der additiven Fertigung zu verbessern und damit letztlich das potenzielle Einsatzspektrum der Bauteile zu erweitern.