Reduzierung von Eigenspannungen und Verzug in der laseradditiven Fertigung (PDF)

Großes Potential, eine Produktion individuell, schnell und kostengünstig zu realisieren, wird den additiven Technologien zugeschrieben, die aufgrund der schichtweisen Herstellung höchste Gestaltungsfreiheit bei endkonturnaher Fertigung der Bauteile in einem ressourcen-schonenden und einstufigen Verfahren ermöglichen. Eine Ausprägung dieser Technologie stellt das laseradditive Fertigungsverfahren dar, das durch den Einsatz des Werkzeugs Laser als Energiequelle die schichtweise Herstellung aus technischen Metallpulverwerkstoffen mit Endproduktcharakter erlaubt.
Der thermische Energieeintrag bei der laseradditiven Fertigung ruft jedoch remanente Eigenspannungen hervor, die zu Prozessinstabilitäten führen. Resultierender Bauteilverzug oder Defekte in Form von Rissen lassen sich in nachgelagerten Prozessen nicht richten und führen zu Ausschuss einzelner Produkte oder gesamter Fertigungslose. Infolge der mangelnden Prozessstabilität ist neben der Wirtschaftlichkeit somit auch die allgemeine Qualifikation der Technologie für eine industrielle Fertigung in Frage gestellt. Aufgrund des hochkomplexen Zusammenspiels der Vielzahl an Prozessparametern kann mit dem heutigen Wissensstand der Einfluss der Stell- und Störgrößen auf die resultierenden Spannungen nur unzureichend zugeordnet werden.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die systematische Identifizierung und vergleichende Qualifizierung und Quantifizierung signifikanter Einflussfaktoren auf thermisch-induzierte Eigenspannungen in der laseradditiven Fertigung für den Versuchswerkstoff Ti 6Al 4V. Mit der Identifikation der signifikanten und spannungsminimierenden Faktoren auf Basis analytischer, numerischer und empirischer Modelle konnten die wesentlichen Stellgrößen des Prozesses, wie z. B. die zeitliche Abfolge bei der Belichtung, die Schichthöhe oder Vorwärmtemperatur, abgeleitet und eine neuartige Prozessstrategie auf Basis einer Hülle-Kern-Strategie zur spannungsminimierenden Fertigung entwickelt werden. Die Validierung wurde erfolgreich anhand industrieller Anwendungsbeispiele des Leichtbaus und der Medizintechnik durchgeführt.
Die im Rahmen der Arbeit entwickelte Prozessführung ermöglicht die signifikante Reduzierung der thermisch-induzierten Spannungen und erlaubt eine den industriellen Qualitätsanforderungen entsprechende Herstellung von Bauteilen.