SB_18.639NLP

2017
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Verbesserung der
Oberflächenqualität von
SLM Bauteilen durch
Entwicklung einer SLM
Prozessführung mit
diskontinuierlicher
Energieeinbringung

Verbesserung der
Oberflächenqualität von SLM
Bauteilen durch Entwicklung
einer SLM Prozessführung mit
diskontinuierlicher
Energieeinbringung
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 18.639 N
DVS-Nr.: 13.011
Fraunhofer-Gesellschaft e.V.
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 18.639 N / DVS-Nr.: 13.011 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2017 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 362
Bestell-Nr.: 170471
ISBN: 978-3-96870-361-9
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die
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Inhalt
Inhalt
1 Einleitung 1
2 Wissenschaftlich technische Problemstellung
und Lösungsansatz 1
3 Angestrebtes Gesamtziel und Nutzen für KMUs 5
4 Stand der Technik 6
5 Anlagentechnik und Werkstoff 8
5.1 Anlagentechnik 8
5.2 Werkstoff 10
6 Durchgeführte Arbeiten 11
6.1 Vorbereitung (AP1) 11
6.1.1 Modifikation der Versuchsanlage 11
6.1.2 Charakterisierung der Laserpulse 12
6.1.3 Simulation der Temperaturverteilung während der
gepulst modulierten Prozessführung 15
6.2 Aufbau von Einzelschichten (AP2) 17
6.2.1 Einzelschichten auf dem Pulverbett 17
6.2.2 Aufbau mehrerer Schichten mit kombinierter
Prozessführung 21
6.2.3 Reduzierung der Stützstrukturen 23
6.3 Aufbau von Überhängen (AP3) 24
6.3.1 Parameterscreening 24
6.3.2 Systematische Parameterentwicklung an
Überhangproben 28
6.4 Aufbau senkrechter Wände (AP4) 32
6.5 Aufbau von Demonstratoren (AP5) 33
7 Zusammenfassung / Notwendigkeit und
Angemessenheit der geleisteten Arbeit 40
8 Wissenschaftlich–technischer und
wirtschaftlicher Nutzen der erzielten
Ergebnisse für industrielle Anwendungen 43
9 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft 44
11
I

Inhalt
9.1 Einschätzung zur Realisierbarkeit des
Transferkonzepts 45
10 Angaben zu den aus der Zuwendung
finanzierten Ausgaben 46
11 Literaturverzeichnis 46
12 Anhang 48
12.1 Analyseverfahren 48
12.1.1 Rauheitsmessungen 48
12.1.2 Dichtemessungen 49
II

Seite 1 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.639N
Einleitung
1 Einleitung
Das generative Fertigungsverfahren Laserstrahlschmelzen, im Folgenden auch
als Selective Laser Melting (SLM) bezeichnet, bietet durch die nahezu uneingeschränkte
geometrische Freiheit die Möglichkeit, komplexe Bauteile aus serienidentischen
Werkstoffen wie bspw. Stählen, Titan, Nickelbasis- und Aluminiumlegierungen
herzustellen (1). Aus diesem Grund können durch das SLM-
Verfahren zunehmend neue Anwendungsgebiete, beispielsweise in der Medizintechnik,
der Luft- und Raumfahrt oder dem Automobilbau erschlossen werden
(2).
Derzeit prüfen zahlreiche namhafte Großunternehmen und KMUs den Einsatz
von SLM als Fertigungsverfahren für die Serienproduktion. Für die flächendeckende
Verbreitung dieser Technologie sind oft die Bauteilqualität und die hohen
Kosten durch nachfolgende Bearbeitungsschritte ein limitierender Faktor.
Bestandteil gegenwärtiger Forschungsvorhaben ist die Steigerung der Qualität
von SLM-Bauteilen. Hierzu soll der SLM-Prozess so weiterentwickelt werden,
dass die Ausgangsqualität (bspw. Oberflächenrauheit) der gefertigten Bauteile
ausreicht, um aufwendige Nachbearbeitungsschritte einzusparen. Eine Reduktion
des Nachbearbeitungsaufwands senkt die Bauteilkosten und kann somit das
kommerzielle Anwendungsspektrum der SLM-Technologie ausweiten. Daher ist
die Verbesserung der Oberflächenqualität von SLM-Bauteilen seit Bestehen des
Verfahrens Mitte der 1990 Jahre eine permanente Forderung der industriellen,
branchenübergreifenden Anwender (3).
In dem hier vorgestellten Projekt wird das Ziel verfolgt, die Oberflächenqualität
von SLM-Bauteilen durch den Einsatz diskontinuierlicher Energieeinbringung zu
steigern. Hierbei sollen mittels gepulst modulierter Laserstrahlung SLM-Prozess
spezifische Effekte in der Pulver-Schmelze-Wechselwirkungszone unterdrückt
werden, die zu einer vergrößerten Oberflächenrauheit führen können (4).
2 Wissenschaftlich technische Problemstellung und Lösungsansatz
Das SLM-Verfahren zählt zu den pulverbettbasierten, additiven Fertigungsverfahren.
In diesem Verfahren wiederholen sich die drei in Bild 1 gezeigten Pro-

Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.639N
Wissenschaftlich technische
Problemstellung und
Lösungsansatz
zessschritte Pulverauftrag, Umschmelzen einer Bauteilschicht und Absenken der
Baupattform, bis ein komplettes Bauteil aus dem Pulverwerkstoff gefertigt ist.
Bild 1 schematische
Darstellung der
Verfahrensschritte
des „Selictive Laser
Melting“
Beim Umschmelzen der Bauteilschicht wird zwischen Schraffur- und Konturbelichtung
unterschieden. Bei der Schraffurbelichtung werden die massiven, bauteilinneren
Bereiche umgeschmolzen. Die Konturbelichtung dient der Verbesserung
der Oberflächeneigenschaften des Bauteils. Das Bauteil ist im gesamten
Prozess von Pulverwerkstoff umgeben, wodurch unerwünschte Effekte auftreten,
die zu einer Oberfläche mit erhöhter Rauheit führen. Im Wesentlichen wird
die Rauheit der SLM-Bauteile durch nicht vollständig umgeschmolzene Pulverpartikel,
Schmelzbadausbrüche und den Treppenstufeneffekt beeinflusst. Bedingt
durch den pulverbettbasierten Prozess kommt es bei der Erstarrung der
Bauteilkontur zu Anhaftungen von Pulverpartikeln, die vom Schmelzbad nicht
vollständig benetzt und umgeschmolzen werden. Zudem kann eine inhomogene
Schmelzbaddynamik zu Schmelzbadausbrüchen führen (5).
In Bild 2 ist exemplarisch das Aufschmelzen der Bauteilkontur schematisch
(rechts) dargestellt. Anhand einer Rasterelektronenmikroskop (REM) Aufnahme
(links) ist die Positionierung der Scanvektoren gezeigt. Der undefinierte Saum
aus Pulveranhaftungen und Schmelzbadausbrüchen, der an der Kontur zu erkennen
ist, bestimmt die Rauheit der Bauteilflächen.

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.639N
Wissenschaftlich technische
Problemstellung und
Lösungsansatz
Bild 2 schematische
Darstellung einer
Konturbelichtung
mit unvollständig
umgeschmolzenen
Pulverpartikeln
(rechts)
REM-Aufnahme der
Draufsicht einer
Bauteilschicht mit
ungleichmäßig
umgeschmolzener
Kontur (linker
Bildausschnitt)
Δy S
Δy K
Kontur
Schraffur
Laserstrahl
SLM-
Bauteil
unvollständig
geschmolzene
Pulverpartikel
Scanrichtung
Um solch einen Effekt zu unterdrücken, wird mit diesem Projekt der Ansatz untersucht,
die Bauteilkontur in diskreten Schritten erstarren zu lassen. Dazu soll
die Konturbelichtung mit gepulst modulierter Laserstrahlung erfolgen, wodurch
einzelne, sich überlappende Schmelzlinsen erzeugt werden sollen (vgl. Bild 3).
Bild 3 schematischer
Vergleich des Belichtungsprozesses
mit
kontinuierlichem
Energieeintrag
(oben) und gepulst
moduliertem Energieeintrag
(unten)