Wärmebehandlung von 3D-gedruckten Metallbauteilen

Im Projekt werden Wärmebehandlungen zur Verbesserung der Eigenschaften von additiv gefertigten Metallbauteilen entwickelt, untersucht und optimiert.

Steckbrief

  • Departement Technik und Informatik
  • Forschungsschwerpunkt Produktionstechnik
  • Forschungsfeld Applied Laser, Photonics and Surface Technologies (ALPS)
  • Laufzeit (geplant) 01.01.2018 - 31.12.2019
  • Projektverantwortung Simon Kleiner
  • Projektleitung Simon Kleiner
  • Projektmitarbeitende Jürg Dänzer
    Josef Zürcher
  • Schlüsselwörter Additive Manufacturing, Wärmebehandlung

Ausgangslage

Die additive Fertigung (AM), umgangssprachlich auch 3D-Druck genannt, hat bei metallischen Bauteilen eine andere Gefügestruktur zur Folge als klassische Herstellungsverfahren wie Giessen oder Schmieden. Dies bedeutet, dass bekannte Wärmebehandlungsverfahren, welche für Guss- oder Schmiedeteile entwickelt worden sind, für additive gefertigte Metallteile unter Umständen nicht optimal sind und deshalb angepasst werden müssen.

Das selektive Laserschmelzen (SLM) ist eines der gebräuchlichsten AM-Verfahren für metallische Werkstoffe, weshalb wir uns im aktuellen Projekt auf die Wärmebehandlung von SLM-gefertigten Bauteilen fokussieren.

Ziele

Ziel des Projektes ist es, Wärmebehandlungsverfahren zu entwickeln, die sich spezifisch für SLM-gefertigte Bauteile eignen. Dazu muss ein Grundverständnis der Zusammenhänge zwischen Legierungszusammensetzung, Herstellungs- und Behandlungsverfahren, Gefügestruktur und Eigenschaften erarbeitet werden.

Vorgehen

In einer ersten Phase werden die Aluminiumlegierung AlSi10Mg sowie der Stahl 17-4 PH untersucht. Beide Legierungen können aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung ausscheidungsgehärtet werden. Im Vergleich mit gegossenem oder geschmiedeten Material wird das Ansprechverhalten der SLM-gefertigten Teile auf entsprechende Wärmebehandlungen analysiert. Untersuchungen der Mikrostruktur mittels Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie (REM) sowie die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften, d.h. Festigkeit, Bruchdehnung, Härte und Zähigkeit erlauben es, die Zusammenhänge zu verstehen und daraus Optimierungen für die Wärmebehandlungsverfahren abzuleiten.

Lösung

Die sehr feine Gefügestruktur von SLM-Bauteilen hat zur Folge, dass die inneren Vorgänge bei der Wärmebehandlung schneller ablaufen als bei klassischen Gussteilen mit gröberer Gefügestruktur. Die Tendenz geht deshalb in Richtung von kürzeren Behandlungszeiten und schnelleren Abkühlgeschwindigkeiten.

Da sich die gesamte AM-Fertigungstechnik momentan sehr schnell weiterentwickelt, muss immer die gesamte Prozesskette betrachtet werden. Neue Entwicklungen im Bereich der Metallpulver und deren Herstellungsmethoden sowie die Neu- und Weiterentwicklungen der 3D-Druckverfahren werden nicht ohne Auswirkung auf die Gefügestruktur der so produzierten Metallbauteilen bleiben, weshalb immer wieder mehr oder weniger grossen Anpassungen in der Wärmebehandlung solcher Teile nötig sein werden.