SB_19204BLP

2019
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Systematische Analyse von
Einflussgrößen auf die
Pulverqualität beim
Strahlschmelzen
- am Beispiel von Ti-6Al-4V

Systematische Analyse von
Einflussgrößen auf die
Pulverqualität beim
Strahlschmelzen - am Beispiel
von Ti-6Al-4V
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 19.204 N
DVS-Nr.: 13.013
Technische Universität Hamburg,
Institut für Laser- und
Anlagensystemtechnik
Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik,
und Werkstoffprüfung GmbH
Fraunhofer-Gesellschaft e.V.,
Fraunhofer-Einrichtung für Additive
Produktionstechnologien IAPT
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.204 N / DVS-Nr.: 13.013 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
© 2019 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 417
Bestell-Nr.: 170526
ISBN: 978-3-96870-416-6
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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Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben [19204 BG]
Inhalt
1. Forschungsthema................................................................................................................ 3
2. Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ....................................... 3
3. Forschungsziel und Lösungsweg ........................................................................................ 7
3.1. Forschungsziel ................................................................................................................ 7
3.2. Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels ........................................................... 8
4. Durchgeführte Arbeiten und erzielte Ergebnisse ................................................................. 9
4.1. Einflussanalyse und Fehlerbetrachtung ........................................................................... 9
4.1.1. Ishikawa Diagramm .................................................................................................... 10
4.1.2. Pulvermaterialfluss ..................................................................................................... 11
4.1.3. Wechselwirkungsanalyse ........................................................................................... 12
4.1.4. FMEA ......................................................................................................................... 14
4.2. Einflussgröße Pulverherstellung .................................................................................... 16
4.3. Einflussgröße Pulverlagerung ........................................................................................ 22
4.4. Einflussgröße Temperatur und Atmosphäre ................................................................... 27
4.5. Einflussgröße Belichtung ............................................................................................... 30
4.6. Einflussgröße Siebprozess ............................................................................................ 36
4.7. Handhabungsrichtlinie ................................................................................................... 39
5. Verwendung der Zuwendung ............................................................................................ 45
5.1 Personaleinsatz ............................................................................................................. 45
5.2 Geräteanschaffung ........................................................................................................ 46
5.3 Leistungen Dritter .......................................................................................................... 46
5.4 Zusammenfassung ........................................................................................................ 46
6. Nutzen der erzielten Forschungsergebnisse ...................................................................... 47
6.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse insbesondere
für KMU .................................................................................................................................... 47
6.2 Voraussichtlicher Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der KMU ................ 49
6.3 Aussagen zur voraussichtlichen industriellen Umsetzung der FuE-Ergebnisse nach
Projektende und der Finanzierung ............................................................................................ 50
6.4 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ................................................................... 51
7. Literaturverzeichnis ........................................................................................................... 52

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben [19204 BG]
1. Forschungsthema
„qualiTi - Systematische Analyse von Einflussfaktoren auf die Pulverqualität beim
Strahlschmelzen – am Beispiel von Ti-6Al-4V“
2. Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
Als Folge der rasant fortschreitenden Globalisierung werden Unternehmen mit einer sich deutlich
verschärfenden Wettbewerbssituation konfrontiert. Vor allem müssen den steigenden
Kundenanforderungen an Qualität und Funktionalität Rechnung getragen und Kosten im
Unternehmen gesenkt werden, um anforderungsgerechte und preisgünstige Produkte kurzfristig
am Markt anbieten zu können. Der additiven Fertigung wird in diesem Zusammenhang als
disruptiver Technologie das Potential zugesprochen, zukünftig die Wertschöpfung von Produkten
weltweit zu verändern.
In den vergangenen Jahren konnte sich der Markt für die additive Fertigung deutlich
überproportional (im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden) entwickeln. So berichtete
der Wohlers Report 2018 von einem durchschnittlichen Wachstum von ca. 25 % pro Jahr in den
Jahren 2014 bis 2017 [1]. Das Gesamtvolumen dieses Marktes, welcher Produkte und
Dienstleistungen umfasst, die mit der additiven Fertigung in Zusammenhang stehen, betrug 2017
ca. 7,3 Mrd. US$ (ebenda.) 2018 betrug es bereits 9,3 Mrd. US$ und soll bis zum Jahr 2027
voraussichtlich 41 Mrd. US$ übersteigen [2]. Für das Jahr 2019 prognostiziert das englische
Marktforschungsunternehmen Context für industrielle Metalldrucker ein Wachstum von über 49 %
[3]. Während der Markt für industrielle Druckmaterialien 2018 um 29,9 % auf 4,6 Mrd. US$ wuchs,
erwartet Context in den nächsten 5 Jahren ein weiteres Wachstum um 15 Mrd. US$ (ebenda).
Abbildung 1: Entwicklung des Marktes für Additive Fertigung

Seite 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben [19204 BG]
Abbildung 1 veranschaulicht das prognostizierte Marktwachstum für die nächsten Jahre. Da die
Akzeptanz für die additive Fertigung in den vergangenen Jahren deutlich zugenommen hat und
voraussichtlich auch in den nächsten Jahren weiter zunimmt, eröffnen sich der Anwendung dieser
Verfahren immer breitere Möglichkeiten.
Allerdings eignen sich nur wenige additive Fertigungsverfahren zur direkten Herstellung von
funktionalen Endprodukten im Sinne des Rapid Manufacturing. Die pulverbettbasierten Verfahren
des Strahlschmelzens, bei denen ein Laser- oder ein Elektronenstrahl als Energiequelle genutzt
wird, um ein Metallpulver schichtweise gezielt aufzuschmelzen, haben sich als additive
Fertigungsverfahren für die industrielle Anwendung durchgesetzt. Insbesondere in der
Dentaltechnik, im Werkzeug- und Formenbau, in der Medizintechnik, im Automobilbau und in der
Luftfahrt werden das Laser- und Elektronenstrahlschmelzen bereits eingesetzt oder erprobt [4].
Ein Werkstoff, der sich aufgrund der herausragenden Eigenschaften in den genannten Branchen
etabliert hat, ist die Titanlegierung Ti-6Al-4V. Die Verfahren und der genannte Werkstoff bieten
hier nicht nur Verbesserungen hinsichtlich Funktion, Gewicht und Kosten, sondern tragen auch
durch ihre Material- und Energieeffizienz zu einer positiven Öko-Bilanz der gesamten
Produktionsprozesskette bei. Mit dem Einsatz des Laser- und Elektronenstrahlschmelzens zur
Herstellung von Bauteilen unter industriellen Rahmenbedingungen gewinnt die Qualität der
erzeugten Bauteile an Bedeutung, was speziell in den besonders attraktiven High-Technology-
Branchen (Luftfahrt, Medizintechnik, etc.) entscheidend ist. Während die Hersteller (OEM) von
Flugzeugen oder Medizinprodukten die Forschung und Entwicklung der Verfahren vorantreiben,
wird die eigentliche Fertigung von Produkten bei erwiesener Eignung der Verfahren an Zulieferer,
Lohn- und Auftragsfertiger vergeben, bei denen es sich im Wesentlichen um KMU mit < 100
Mitarbeitern und zwei bis vier Strahlschmelzanlagen handelt [5]. Dabei obliegen die
Sicherstellung und der Nachweis der Qualität der produzierten Erzeugnisse gemäß geforderter
OEM-Spezifikationen den KMU.
Dem Strahlschmelzen metallischer Pulverwerkstoffe liegt ein automatisiertes, zyklisches
Verfahrensprinzip zugrunde: Ein Metallpulver wird mit einer Schichtdicke zwischen 20 µm und
100 µm auf einer Arbeitsebene flächig aufgetragen [6]. Anschließend wird ein Laser- oder ein
Elektronenstrahl über die Arbeitsebene gelenkt und schmilzt das Pulver selektiv entsprechend
des Bauteilquerschnitts. Nach dieser Belichtung des Pulverbetts wird die Arbeitsebene um den
Betrag der Schichtdicke abgesenkt. Der Zyklus beginnt erneut mit dem Pulverauftrag und wird
bis zur Fertigstellung des Bauteils iteriert. Der beschriebene Ablauf setzt voraus, dass in der
Fertigungsanlage eine deutlich größere Menge des Pulvers bevorratet und auf der Arbeitsebene
aufgetragen wird, als in das Bauteil umgewandelt wird. Je nachdem, welche Strahlquelle
eingesetzt wird, finden die Fertigungsschritte in einer mit Schutzgas durchströmten Atmosphäre
oder in einer evakuierten Umgebung statt. Dabei unterscheiden sich ebenfalls die
Temperaturregime (RT - 500 °C), die auf das Metallpulver einwirken. Im Anschluss an den

Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben [19204 BG]
Prozess wird das nicht aufgeschmolzene Metallpulver mit Hilfe eines Siebprozesses recycelt. Das
recycelte Pulver kann somit im nächsten Prozess wiederverwendet werden. Je nach Verbrauch
wird dem Prozess bei Bedarf weiteres Material zugegeben. Die Nachhaltigkeit des Prozesses
(geringer Materialeinsatz und hohe Recyclingraten) setzt allerdings eine gleichbleibende Qualität
des eingesetzten Pulverwerkstoffs voraus. Einige Eigenschaften des Metallpulvers stellen jedoch
Größen dar, die sich ungewollt und in bislang unvorhersehbarer Weise auf den
Fertigungsprozess und das -ergebnis auswirken und somit die Bauteilqualität beeinflussen.
Abbildung 2: Wissenschaftlich-technische Problemstellung
Die charakteristischen Eigenschaften des Metallpulvers wie die Partikelform, Partikelgröße und
Partikelgrößenverteilung, Fließfähigkeit und Fülldichte werden bereits durch die
Pulverherstellung festgelegt. Je nach Herstellungsverfahren und Verfahrensspezifika, aber auch
je nach Produktionslos, unterscheiden sich die Charakteristika des erzeugten Pulverwerkstoffs.
Neu verdüstes und noch nicht im Strahlschmelzprozess verwendetes Metallpulver (im Folgenden:
Neupulver) weist häufig ungünstige Eigenschaften für das Strahlschmelzen auf.
Im Strahlschmelzprozess unterliegt der Pulverwerkstoff bei der Bevorratung in der
Fertigungsanlage, während des Auftrags und der Belichtung sowie beim Recycling
atmosphärischen, klimatischen und mechanischen Einwirkungen. Auch außerhalb dieses
Systems ist der Werkstoff nach der Herstellung z. B. beim Transport, Lagerung und Recycling
verschiedenen mechanischen Einflussgrößen und Umwelteinflüssen ausgesetzt. In Abhängigkeit
der Dauer und der Intensität des Einwirkens von u. a. Atmosphäre, Temperatur, Feuchtigkeit und
äußeren Kräften verändern sich z. B. die chemische Zusammensetzung und die Gestalt einzelner