SB_20641NLP

2022
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Selektives Laserstrahlschmelzen
von Magnesiumlegierungen
im industriellen
Umfeld

Selektives
Laserstrahlschmelzen von
Magnesiumlegierungen im
industriellen Umfeld
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.641 N
DVS-Nr.: 13.3144
Laser Zentrum Hannover e.V.
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.641 N / DVS-Nr.: 13.3144 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 Klimaschutz
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 548
Bestell-Nr.: 170658
ISBN: 978-3-96870-548-4
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 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20641N
Inhalt
Thema .......................................................................................................................................... 1
Berichtszeitraum ........................................................................................................................... 1
Forschungsvereinigung ................................................................................................................ 1
Forschungseinrichtung(en) ........................................................................................................... 1
Förderhinweis ............................................................................................................................... 2
Zusammenfassung ....................................................................................................................... 3
Abbildungsverzeichnis .................................................................................................................. 6
Tabellenverzeichnis ...................................................................................................................... 7
Abkürzungs- und Symbolverzeichnis ........................................................................................... 8
Einleitung ...................................................................................................................................... 9
Stand der Technik und Forschung ............................................................................................. 10
Magnesium in der Medizintechnik .......................................................................................... 10
Magnesium im Leichtbau ........................................................................................................ 10
Laser-based Powder Bed Fusion von Magnesiumlegierungen .............................................. 11
Aufgabenstellung und Ziele ........................................................................................................ 13
Ergebnisse ................................................................................................................................. 14
Arbeitspaket 1: Anforderungen ............................................................................................... 14
Arbeitspaket 2: Integration einer hyperspektralen Prozessüberwachung ............................... 18
Arbeitspaket 3: Prozessanalyse und Parameterentwicklung .................................................. 19
Produktivität ........................................................................................................................ 19
Einstellung der Oberflächenqualität .................................................................................... 21
Optimierung der Schutzgasströmung .................................................................................. 24
Arbeitspaket 4: Charakterisierung .......................................................................................... 28
Mechanische Eigenschaften ............................................................................................... 28
Konstruktionshinweise ........................................................................................................ 31
Arbeitspaket 5: Richtlinien zum sicheren Betrieb ................................................................... 34
Hinweise und Sicherheitsvorrichtungen .............................................................................. 34
Lagerung und Transport von Magnesiumpulvern ............................................................... 35
Arbeiten mit Magnesiumpulvern .......................................................................................... 37
Hinweise für magnesiumverarbeitende PBF-LB Anlagen ................................................... 38
Magnesiumpulverschlämme und verunreinigte Filter .......................................................... 38
Mechanische Nacharbeit ..................................................................................................... 39
Arbeitspaket 6: Industrielle Fertigung ..................................................................................... 40
Theoretischer Übertrag des Prozesses auf weitere Industrieanlagen ................................ 40

Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20641N
Auslegung und Fertigung eines Demonstratorbauteils ....................................................... 41
Ausblick und Fazit ...................................................................................................................... 43
Gegenüberstellung Ziele und Ergebnisse .................................................................................. 46
Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen ......................................................... 47
Angaben zu aus der Zuwendung finanzierten Ausgaben ........................................................... 48
Erläuterungen zum Personaleinsatz ....................................................................................... 48
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ....................................................... 48
Plan zum Ergebnistransfer ......................................................................................................... 49
Literaturverzeichnis .................................................................................................................... 52
Anhang ....................................................................................................................................... 55

Seite 9 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20641N
Einleitung
Magnesium und seine Legierungen kommen zunehmend in den Fokus von Biomedizintechnik
und Leichtbau. In der Biomedizintechnik wird die Biokompatibilität einiger Legierungen sowie die
Möglichkeit einer für den Organismus verträglichen Degradation (Bioresorption) in Körperfluiden
geschätzt. Implantate könnten entsprechend so eingestellt werden, dass Sie sich nach einer Heilungsphase
auflösen und nicht im Körper als Fremdkörper verbleiben. In Kombination mit dem
knochenähnlichen E-Modul (ca. 44 GPa), welcher sogenanntes Stress-Shielding reduziert und
somit das Knochenwachstum nicht behindert, ergibt sich eine vielversprechende Werkstoffgruppe
für lastragende Osseosyntheseimplantate.
Im Leichtbau wird die geringe Dichte von Magnesium (ca. 1,74 g/cm³) und die resultierende hohe
spezifische Festigkeit geschätzt. Magnesium ist der leichteste Konstruktive Werkstoff und ca.
35 % leichter als das etablierte Aluminium. Gerade in gewichtskritischen Branchen wie der Luftund
Raumfahrt, aber auch im Automobilbau zur Erreichung von Klimazielen, ist die Verwendung
von Magnesiumlegierungen daher ein Zukunftsthema.
Sowohl Biomedizintechnik als auch Leichtbau können von den geometrischen Freiheiten des Laser-based
Powder Bed Fusion (PBF-LB) profitieren. In der Biomedizintechnik spielt Individualität
der Produkte, in diesem Falle Implantate, eine entscheidende Rolle, da jeder Mensch unterschiedlich
gebaut ist. Eine ideale implantologische Versorgung hat somit eine Stückzahl von eins.
Da für PBF-LB Verfahren keine speziellen Werkzeuge wie Druckgussformen notwendig sind,
kann die Individualität nahezu ohne Mehrkosten abgebildet werden. Durch die Verwendung von
Magnesiumlegierungen könnten patientenindividuelle bioresorbierbare Implantate gefertigt werden,
welche die Patientenversorgung signifikant verbessern. Im konstruktiven Leichtbau bietet
die geometrische Freiheit die Möglichkeit komplexe Strukturen und sogenannte topologieoptimierte
Bauteile zu fertigen, bei denen das Bauteil entlang der anwendungsspezifischen Lastpfade
modelliert wird. Überflüssiges Material, das nur aus fertigungstechnischen Gründen benötigt wird,
kann auf diese Weise eingespart werden. Die Kombination aus konstruktivem Leichtbau und
Magnesium mit seinen Legierungen bietet kombiniert ein enormes Gewichtseinsparungspotential,
das gerade in Bereichen der Luft- und Raumfahrt intensiv zur Kosten- und Treibstoffreduktion
beitragen kann.
Nach öffentlichen Kenntnisstand werden zu Projektbeginn Magnesiumlegierungen nur in wenigen
Forschungseinrichtungen im PBF-LB Verfahren verarbeitet. Eine Verarbeitung im industriellen
Umfeld findet nicht statt. Die Gründe hierfür sind vielfältig. Die aktuellen Aufbauraten aus der
Forschung sind nicht ausreichend für eine wirtschaftliche Produktion. Ferner ist der Prozess nicht
reproduzierbar genug, um industrielle Ansprüche abzudecken. Vor allem die hohe Verdampfungsneigung
von Magnesium stellt die Prozessentwicklung vor Herausforderungen. Ein Teil des
Magnesiums verdampft im Prozess, wodurch eine gegenüber anderen Werkstoffen verstärkte
Emissionsbildung gefördert wird. Diese Emissionen schwächen den Laserstrahl unkontrolliert ab
und führen zu Schwankungen in den Prozessergebnissen. Einen weiteren signifikanten Hinderungsgrund
stellen die Gefahrenpotentiale, die mit der Verwendung von reaktiven Magnesiumpulvern
einhergehen, dar. Die Stäube und Pulver sind leicht entzündbar und reagieren in Kontakt
mit Wasser unter Freisetzung von Wasserstoff, der zusammen mit Luftsauerstoff eine explosionsfähige
Atmosphäre bildet. Diese Herausforderungen wurden im Forschungsvorhaben adressiert
und zu ihrer Behebung beigetragen.

Seite 10 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20641N
Stand der Technik und Forschung
Im folgenden Kapitel wird die Ausgangssituation bei Antragstellung beschrieben. Es wird die Rolle
von Magnesiumlegierungen in der Biomedizintechnik sowie im Leichtbau erläutert und auf den
aktuellen Forschungsstand der Verarbeitung im PBF-LB Verfahren eingegangen.
Magnesium in der Medizintechnik
Magnesiumlegierungen sind von steigendem Interesse in der Biomedizintechnik. Neben einer
hervorragenden Biokompatibilität einiger Legierungen, ist die Biodegradierbarkeit von besonderem
Interesse. Temporäre Implantate, wie sie in der Orthopädie oder im kardiovaskulärem System
eingesetzt werden könnten, wären durch Magnesium als Werkstoff realisierbar. Die der Biodegradierbarkeit
zugrundeliegende Reaktion ist in Formel 1 dargestellt [1, 2].
Mg (s) + 2 H 2 O (aq) → Mg(OH) 2 (s) + H 2 (g) (1)
Als Abbauprodukte entstehen demnach Magnesiumhydroxid und gasförmiger Wasserstoff. Während
der Resorptionsphase kann der Knochen nachwachsen bzw. das Blutgefäß sich stabilisieren,
so dass die ursprüngliche Funktion wiederhergestellt ist. Dies hat den Vorteil, dass die Implantate
nicht permanent im Körper verbleiben und bspw. zu Entzündungen führen. Ferner haben
permanente Implantatmaterialien, wie z.B. Titanlegierungen, eine hohe Steifigkeit, die zu sogenanntem
Stress-Shielding führt. Hierbei wird der Knochen übermäßig vom Implantat entlastet, so
dass er sich abbaut und der Bruch schlechter heilt. Die Steifigkeit von Magnesium ist der des
Knochens ähnlich und nimmt zusätzlich während der Resorptionsphase ab, was die Heilung wiederum
begünstigt [3, 4]. Im kardiovaskulären System sind permanente Stents zur Aufweitung von
verschlossenen Blutgefäßen die Regel. Diese permanenten Stents sind jedoch mit dem Risiko
einer Thrombenbildung, möglichen Entzündung oder Gewebereizung sowie den negativen Einflüssen
ungleicher mechanischer Eigenschaften zum umliegenden nicht gestützten Blutgefäß behaftet
[5]. Diese Risiken liegen bei einem sich nach Stabilisierung des Blutgefäßes auflösenden
Stent nicht vor.
Trotz der genannten Vorteile von magnesiumbasierten Implantaten sind zum aktuellen Zeitpunkt
lediglich zwei zugelassene und im Vertrieb befindliche Produkte bekannt. Im orthopädischen Bereich
liegen Knochenschrauben und Pins vor [6, 7], während ein Magnesiumstent für kardiovaskuläre
Anwendungen bekannt ist [8]. Die Verarbeitung von Magnesiumlegierungen im PBF-LB
Verfahren könnte für patientenindividuelle Knochenimplantate genutzt werden und zusätzliche
Wachstumsfördernde Strukturen, wie Porosität, einbringen [9].
Magnesium im Leichtbau
Der Leichtbau unter Nutzung der Gewichtsvorteile von Magnesiumlegierungen wird zu einem
großen Teil durch die Automobilindustrie vorangetrieben. Hier gilt es strengere Umweltauflagen
der Regierungen, mit dem Ziel den Ressourcenverbrauch zu reduzieren, umzusetzen. Aktuell
befinden sich in einem Automobil in Nordamerika im Durchschnitt 3,8 kg Magnesiumlegierungen
[10]. Der Anteil an Magnesiumlegierungen steigt jedoch. Zum Einsatz kommt Magnesium hier
bspw. in Lenkrädern, Panels und Sitzstrukturen. Vermehrt existieren allerdings auch Ansätze am
Motorblock und bei Karosserieteilen [11]. In der Luftfahrt ist der Einsatz von Magnesiumlegierungen
zunächst aufgrund der Korrosionsanfälligkeit zurückgegangen, ein vermehrter Einsatz wird
allerdings durch die Entwicklung neuer korrosionsbeständiger Legierungen und Beschichtungsverfahren
erwartet [12].

Seite 11 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20641N
Laser-based Powder Bed Fusion von Magnesiumlegierungen
Erste Veröffentlichungen zum PBF-LB von Magnesiumlegierungen gehen ins Jahr 2010 zurück.
Hier wurden von Ng et al. erste Schmelzspuren, mit einem experimentellen Laseraufbau, aus
Magnesiumpulver gefertigt [13]. Im weiteren Verlauf haben weitere Forschungsgruppen den Prozess
auf einer Grundlagenbasis untersucht. Ziel der Untersuchungen ist in der Regel eine möglichst
geringe Porosität und die Bestimmung von erreichbaren mechanischen Eigenschaften. Es
zeigt sich, dass vor allem Legierungen aus dem AZ-System, also mit den Legierungselementen
Aluminium und Zink [14–17], sowie dem WE-System mit den Legierungselementen Yttrium und
seltenen Erden [18–22] für den PBF-LB Prozess geeignet scheinen. Mit diesen Legierungen lässt
sich eine Restporosität von unter einem Prozent und technisch relevante mechanische Eigenschaften
in PBF-LB gefertigten Proben einstellen. Trotz dieser Ergebnisse ist eine industrielle
Verarbeitung von Magnesiumlegierungen im PBF-LB Verfahren bislang ausgeblieben und kein
Unternehmen bekannt, dass entsprechende Bauteile verwendet oder fertigt. Aus Veröffentlichungen
und Literatur zur Verarbeitung von Magnesiumlegierungen im PBF-LB Verfahren lassen sich
folgende Herausforderungen für eine industrielle Anwendung ableiten:
Kleiner Prozesstemperaturbereich
Magnesium hat einen Schmelzpunkt von 650 °C und einen Siedepunkt von 1091 °C [23]. Der
Temperaturbereich, in dem Magnesium schmelzflüssig vorliegt beträgt demnach 441 °C. Da im
PBF-LB Prozess Pulverpartikel vollständig aufgeschmolzen werden und anschließend erstarren,
sollte diese Temperaturspanne zwingend eingehalten werden. In den Forschungsergebnissen
wird die Einhaltung der Temperaturspanne als eine der wesentlichen Herausforderungen beschrieben
[14, 24, 25]. Wird die Schmelztemperatur nicht erreicht, so wird das Pulver nicht vollständig
aufgeschmolzen und Anbindungsfehler entstehen. Wird der Siedepunkt überschritten verdampft
ein Teil des Magnesiums und sphärische Gasporen sind die Folge. Das Verdampfen äußert
sich zudem in der Bildung schwarzer Emissionen, die in ihrer Ausprägung die Emissionen
etablierter Materialien deutlich übersteigen. Dies wird auf den bereits bei Schmelztemperatur hohen
Dampfdruck zurückgeführt [20]. Neben den beschriebenen Prozessfehlern führt ein Verdampfen
von Magnesium zu einer Änderung der Legierungszusammensetzung, da der Magnesiumanteil
gegenüber höherschmelzenden Bestandteilen reduziert wird. Für den PBF-LB Prozess
birgt die Bildung der schwarzen Emissionen Prozessemissionen eine weitere Herausforderung.
Der Laserstrahl wird durch die Emissionen geschwächt, was zu einer inkonstanten Laserleistung
im Pulverbett führt. Ferner lagern sich die Emissionen an den Bauteilen und Wänden der Baukammer
ab. Die Ablagerungen auf dem Lasereintrittsglas mehren sich während des Fertigungsprozesses,
bis die Absorption der Laserstrahlung prozesskritisch wird oder Einbrände auf dem
Lasereintrittsglas entstehen [19].
Bildung einer Magnesiumoxidschicht
Magnesium bildet an Luftsauerstoff eine dichte Magnesiumoxidschicht an der Oberfläche aus
[26]. Der Schmelzpunkt von Magnesiumoxid beträgt 2.800 °C und ist somit 2,57-mal höher als
der Siedepunkt von Magnesium [27]. Ein Auflösen der Oxidschicht in der Magnesiumschmelze
ist somit nicht möglich und die Oxide verbleiben im erstarrten Bauteil, wodurch eine Erhöhung
der Sprödheit erwartet wird. Ferner bildet sich direkt nach Fertigung einer Bauteilschicht eine
Oxidschicht auf der Bauteiloberfläche, die eine schlechte Benetzbarkeit für die Magnesiumschmelze
aufweist [28]. Anbindungsfehler und Balling sind die Folge.