Einsatzhärten additiv gefertigter Stahlbauteile

Additive Fertigung ermöglicht einzigartige Formgebung

Das Laserstrahlschmelzen gehört zu den additiven Fertigungsverfahren (engl.: additive manufacturing, AM), die ein Bauteil im Schichtprinzip aufbauen. Es wird ein pulverförmiger metallischer Ausgangswerkstoff mit Hilfe eines Laserstrahls definiert aufgeschmolzen und erstarrt zu einem festen Körper. Dadurch ergeben sich im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren neue und einzigartige Möglichkeiten in der Formgebung.

Durch den schichtweisen Aufbau und die Aneinanderreihung der Schmelzbahnen ergibt sich ein Werkstoffzustand, der sich von konventionell hergestellten Bauteilen unterscheidet. Das so entstehende Gefüge und der Eigenspannungszustand werden maßgeblich durch die schnelle Abkühlung im Laserstrahlschmelzen beeinflusst.

Anpassung der Wärmebehandlung an die spezifischen Eigenschaften von additiv gefertigten Werkstoffen

Diese Unterschiede werden in dem Projekt für zwei Einsatzstähle ermittelt und die notwendige Wärmebehandlung zur Erreichung der Werkstoffeigenschaften wird an diese Besonderheiten angepasst. Zuerst werden Prozessparameter für das Laserstrahlschmelzen für die Einsatzstähle 20MnCr5 und 17CrNi6-6 ermittelt.

Zu Beginn der Parameterentwicklung für den Stahl 20MnCr5 wurde die Ausbildung der Schmelzbäder detailliert untersucht und ein passendes Parameterfenster identifiziert, welches eine ausreichende Einschweißtiefe ermöglicht. Das verwendete Metallpulver wurde vor der Verarbeitung auf die chemische Zusammensetzung und die Kornform untersucht. Letztere ist im Prozess entscheidend für das Auftragen der Pulverschicht und damit für einen stabilen Prozess. Anschließend wurden 3D-Proben gefertigt und die erzielte Dichte ermittelt.

Eine geeignete Einstellung der Fertigungsparameter ermöglicht die Erzeugung eines riss- und porenfreien Werkstoffs, der eine Dichte von über 99,5 Prozent erreicht. Außerdem wurden die ermittelten Parameter zielgerichtet auf eine zweite Laserstrahlschmelzanlage übertragen, um die Anlagenunabhängigkeit der Parameter und des Werkstoffzustands zu gewährleisten.

Parameterentwicklung für den Einsatzstahl 20MnCr5 über Einzelspuren
© Fraunhofer IGCV
Parameterentwicklung für den Einsatzstahl 20MnCr5 über Einzelspuren
Untersuchte Pulverpartikel des Einsatzstahls 20MnCr5
© Fraunhofer IGCV
Untersuchte Pulverpartikel des Einsatzstahls 20MnCr5
Aufgebaute Dichtewürfel 10x10x13 mm³ vor Ausbau aus EOS M290
© Fraunhofer IGCV
Aufgebaute Dichtewürfel 10x10x13 mm³ vor Ausbau aus EOS M290

Charakterisierung einer möglichen Anisotropie des Werkstoffs

Im nächsten Schritt werden Prozessparameter für den Einsatzstahl 17CrNi6-6 entwickelt. Parallel dazu werden Probenkörper für die Materialuntersuchungen und die Wärmebehandlung des 20MnCr5 gefertigt. Besonderes Augenmerk liegt dabei in der Charakterisierung einer möglichen Anisotropie des Werkstoffs durch den schichtweisen Aufbau des Materials.

Auslegungskriterien und die Umsetzung in Verzahnungen werden im DFG-Projekt »Integraler Leichtbau bei Zahnrädern« untersucht. Das Projekt (IGF: 20568BG) wird über 24 Monate von der AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen »Otto von Guericke« e.V. gefördert.

Zusammenarbeit

Wir finden gerne eine individuelle Lösung für Ihr Anliegen.

Branchenlösungen

Die Schlüsselbranchen des Fraunhofer IGCV:

  • Maschinen- und Anlagenbau
  • Luft- und Raumfahrt
  • Automotive und Nutzfahrzeuge

Kompetenzen

Wir gestalten den Weg in die Zukunft des effizienten Engineerings, der vernetzten Produktion und der intelligenten Multimateriallösungen.

Referenzprojekte

Zur Übersicht der Referenzprojekte am Fraunhofer IGCV.