Quality assessment of metallic AM powder material by elemental analysis – QAMEA

Förderinstitution: HMWK – LOEWE-Förderlinie 3

Projektnummer: 993/20-150

Projektbearbeiter: Hoang Minh Vu, M.Sc.

Projektlaufzeit: 01.12.2021 – 30.06.2022

Kurzdarstellung

Beim pulverbett-basierten Laserschmelzen von Metallen (PBF LB/M) wird meist nur ein geringer Anteil des sich im Bauraum befindlichen Pulvers prozessiert. Der weitaus größte Teil des Pulvers (bis zu 90%) könnte nach entsprechender Qualifizierung wiederverwendet werden. Für Unternehmen spielt dies eine enorme wirtschaftliche Rolle, da das Pulver als Ausgangsmaterial einen großen Teil der Kosten verursacht. Es besteht daher Bedarf nach einem System für die kosteneffiziente und bedienerfreundliche Analyse der chemischen Zusammensetzung von Werkstoffpulvern für den Bereich der Additiven Fertigung. Im Rahmen dieses Projekts soll eine Methodik entwickelt werden, wie mit Hilfe von in die Prozesskette eingebauten Elementaranalysegeräten eine Aussage über die Wiederverwendbarkeit des bereits zyklierten Pulvers getroffen werden kann.

Ziel des Projektes QAMEA ist den Einfluss der Pulverrezyklierung beim Pulverbettbasiertem Schmelzen mit Laserstrahl (PBF-LB/M) auf die chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften zu untersuchen. Dabei soll ein QAMEA-Workflow entstehen der für die Qualitätssicherung beim PBF-LB/M genutzt werden kann.

Im Projekt QAMEA wurden fünf Herstellungszyklen unter Rezyklierung des Pulvermaterials auf einer PBF LB/M Anlage durchgeführt . Dabei wurden Pulverproben entnommen, um die Veränderung der chemischen Zusammensetzung zu untersuchen. Darüber hinaus wurden Proben für die chemische und mechanische Prüfung additiv hergestellt und untersucht. Die chemischen Untersuchungen des Pulvers, aber auch die der additiv gefertigten Proben zeigen eine signifikante Steigerung des Sauerstoffgehaltes mit zunehmender Rezyklierung. Alle anderen untersuchten chemischen Elemente Stickstoff, Wasserstoff, Kohlenstoff und Schwefel als auch die chemische Zusammensetzung der Legierungsbestandteile zeigen keine signifikanten Veränderungen bei Wiederverwendung des Pulvermaterials. Die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften im quasi-statischen Zugversuch, Kerbschlagbiegeversuch sowie mittels Härtemessungen zeigen keine Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von der Rezyklierung des Pulvermaterials .

Im Projekt konnten alle wesentlichen Ziele erreicht werden. Es wurde ein Workflow zur Qualitätsbewertung metallischer AM-Pulver entwickelt. Bei Fertigungsprozessen werden Pulverproben an verschiedenen Stellen im Bauraum der Fertigungsanlage entnommen. Anschließend werden die chemischen Elemente O, N, H, C und S in der Pulverprobe mit den Analysegeräten der inductar-Reihe der Firma Elementar GmbH vermessen. Die Projektergebnisse zeigen, dass die Messung der Proben an einem anderen Ort und auch bis zu 10 Wochen nach der Probenentnahme ohne Einfluss auf die Stoffzusammensetzung durchgeführt werden können. Die beispielhafte Anwendung des entwickelten QAMEA Workflows auf den Additiven Herstellungsprozess mit dem Material 316L konnte zeigen, dass die inductar-Reihe für die Qualitätsbewertung von AM-Pulvern geeignet sind. Dieser Workflow wird von Elementar an deren Kunden weitergegeben. Die Qualitätsbetrachtung in der Branche Additive Fertigung kann durch den entwickelten QAMEA Workflow zielgerichtet erweitert und beschleunigt werden.