SB_20641NLP

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.