Additive Fertigung

Die additive Fertigung (engl. Additive Manufacturing, AM) und die fortschreitende Weiterentwicklung dieser Industrie bieten erhebliche Vorteile und versprechen ein neues Kapitel der industriellen Revolution zu schreiben.

 

Die Verbesserung der Fertigungstechnologie, die mit der additiven Fertigung bzw. dem 3D-Druck einhergeht, bietet die Möglichkeit zahlreiche neue und äußerst komplexe Strukturen und Designs nach Bedarf herzustellen. Aufwändige Gitter, Kanäle und kleinste Verbindungsstellen, die dem Produkt eine hohe Festigkeit und eine größere Funktionalität verleihen, lassen sich häufig mit einer Reduktion des Gesamtgewichts im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsmethoden verbinden.

 

Noch ist die Herstellung von großen Stückzahlen mit der additiven Fertigung nicht darstellbar. Verfahren, die CNC-Maschinen einsetzen sind hier noch im Vorteil. Auf der anderen Seite lassen sich durch die Wiederverwendbarkeit der eingesetzten Materialien in der additiven Fertigung Kosten senken. Des Weitern lassen sich mit der additiven Fertigung auch poröse und hohle Produkte herstellen, es können mehrere Materialien gleichzeitig zum Einsatz kommen und die Prototypenentwicklung ist schnell.

Die Particle Testing Authority bietet Untersuchungen von Pulvern und Partikeln an, die einen entscheidenden Einfluss auf die additive Fertigung haben können:

Partikelgröße

Die Partikelgrößenverteilung ist häufig ein sehr wichtiger Parameter, den es zu kontrollieren gilt. Sie hat nicht nur einen direkten Einfluss auf die Fließfähigkeit des Pulvers, sondern auch auf die Fähigkeit, eine gleichmäßige Pulverbettdichte zu erreichen. Die Pulverbettdichte hat wiederum einen direkten Einfluss auf den benötigten Energieeintrag zum Sintern oder Binden der Partikel und beeinflusst auch die Oberflächenbeschaffenheit des hergestellten Produkts oder Bauteils. Die Laserbeugung ist eine der etabliertesten und anerkanntesten Analysetechniken zur Bestimmung der Partikelgröße und der Partikelgrößenverteilung.

Partikelform

Die Form oder Morphologie der Partikel beeinflusst ebenfalls die Packungs- und Fließeigenschaften eines Pulverschüttguts. Kugelförmige Partikel ordnen sich gleichmäßiger und dichter gepackt an als unregelmäßig geformte Partikel. Neben der Packungsdichte des Pulverbetts wird somit auch die Rohdichte des Endprodukts beeinflusst. Unregelmäßig geformte Partikel gehen häufig mit einer geringeren Dichte des Endprodukts einher und können zu einem erhöhten porösen Anteil führen.

Dichte

Die Reindichte ist eine inhärente Materialeigenschaft, während die scheinbare Dichte auch unzugängliche Hohlräume in einem Material berücksichtigt. Die Kenntnis der Reindichte und/oder der scheinbaren Dichte eines Ausgangsmaterials hilft dabei, nützliche Informationen über die Pulverbettbildung und die Sinterkinetik sowie über die Porosität im Endprodukt zu erhalten.

 

Die Schüttdichte eines Pulvers wird stark von den physikalischen Eigenschaften der Partikel, aber auch von der im Bett mitgeführten Luftmenge beeinflusst. Die Schüttdichte kann bei der Festlegung von Materialspezifikationen von großer Bedeutung sein und ergänzt andere Bewertungen der Pulverfließfähigkeit und der Bettbildung.

 

Die umgebene Dichte basiert auf dem geometrischen Volumen einer Probe und ist sehr nützlich bei der Bewertung des Endprodukts, da auch komplizierte und unregelmäßige Probenvolumina genau gemessen werden können. In Kombination mit Reindichtebestimmungen kann die Porosität der Probe schnell und einfach bestimmt werden.

Porosität

Bei der additiven Fertigung kann die Porosität des fertigen Bauteils entscheidend für die Festigkeit und die Qualität sein. Die Porosität wird üblicherweise so gesteuert, dass die Auswirkungen auf Materialeigenschaften, Härte und Oberflächenbeschaffenheit minimiert werden. Auf der anderen Seite kann die Porosität natürlich auch eine gewünschte Eigenschaft des Endprodukts sein.

 

Beispielweise müssen künstliche Knochenimplantate mit der umgebenen Knochenporosität übereinstimmen, um eine zügige Vernetzung zu ermöglichen. Auch hilft Porosität dabei, leichtere Produkte mit der gewünschten mechanischen Festigkeit herzustellen.

 

Die Quecksilberintrusion ist eine bewährte Technik zur Quantifizierung der Porositätseigenschaften von Pulvern, Festkörpern und anderen Produkten. Die Technik basiert auf dem erzwungenen Eindringen von nicht benetzendem Quecksilber in die poröse Struktur unter strenger Druck- und Volumenkontrolle.

 

Die Quecksilberporosimetrie ermöglicht neben einer hohen Messgeschwindigkeit, Genauigkeit und einem breiten Messbereich auch die Charakterisierung von zahlreichen Eigenschaften wie Porengrößenverteilung, Gesamtporenvolumen, Gesamtporenoberfläche, mittlerer Porendurchmesser, Volumen- und Skelettdichte und prozentuale Porosität.

Oberfläche

Die spezifische Oberfläche (z.B. in m2g-1) eines Pulvers repräsentiert die Oberfläche, die pro Masseneinheit Probe für reaktive Komponenten oder Gase zugänglich ist. Partikel mit rauen Oberflächen oder innerer Porosität weisen im Allgemeinen höhere spezifische Oberflächen auf. Die Oberfläche ist daher ein wichtiges Instrument zur Untersuchung der Kinetik des Sinterprozesses und der Eigenschaften des Endprodukts.

 

Die spezifische Oberfläche eines Pulvers oder von Partikeln kann durch Gasadsorption (Physisorption) unter Verwendung der etablierten BET-Methode bestimmt werden. Bei dieser Technik werden üblicherweise Stickstoff, Argon oder Krypton bei Tieftemperaturen an der Oberfläche adsorbiert. Die Menge, die zur Ausbildung einer monomolekularen Schicht auf der Oberfläche erforderlich ist, wird unter Anwendung der BET-Methode bestimmt.

Pulverfließeigenschaften

Die Produktherstellung aus pulverförmigen Substraten ist in der metallurgischen Industrie weit verbreitet und wird auch in anderen Industrien eingesetzt und weiterentwickelt.

 

Unabhängig davon, ob das Sinterpulver dicht in eine Form gepackt oder Schicht für Schicht lokal verschmolzen wird, ist der Prozess empfindlich gegenüber den Fließeigenschaften und dem Schüttverhalten des Ausgangsmaterials. Schlechte Fließeigenschaften können zu ungleichmäßiger Dichte und Schichtung, zu Verschmutzung, Verstopfungen und auch somit auch zu Ausfallzeiten führen. Infolgedessen können die Produktivität und die Produktqualität verringert sein.

 

Herkömmliche Techniken zur Quantifizierung des Durchflusses, wie z.B. Messungen des Ruhewinkels und des Hall-Durchflusses, werden häufig als zu unempfindlich eingestuft, um geringfügige Unterschiede zwischen Pulvern zu identifizieren.

 

Die Pulverrheologie bietet eine umfassende, vielseitige Charakterisierung des dynamischen, Scher- und Volumeneigenschaften von Ausgangsmaterialien, wobei prozessrelevante Daten generiert werden. Die Daten können zur Prozessanalyse und -optimierung sowie zum Lebenszyklusmanagement der Pulver genutzt werden.

Umgebungsstabilität

Beim Lagern und Handhaben von Ausgangsmaterialien können Änderungen der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit und anderer Umgebungsbedingungen die Eigenschaften der Materialien beeinflussen. Es ist daher wichtig die Auswirkungen dieser Änderungen und die Umgebungstoleranzen des Pulvers oder des Prozesses zu verstehen und gegebenenfalls zu kontrollieren. Dies kann durch das Testen der Pulver unter Verwendung programmierter Studien wie TGA, DSC, DVS oder iGC untersucht werden. Dabei werden die Pulver kontrollierten Temperatur- und/oder Feuchtigkeitsänderungen ausgesetzt und anschließend gemessen.

Oberflächentopografie

Die Bestimmung der Oberflächentopografie ermöglicht visuelle und chemische Beurteilungen der strukturellen Eigenschaften der Oberfläche. Rasterelektronenmikroskopie (REM) wird verwendet, um eine Oberfläche zu untersuchen und Mikrostrukturen wie Oberflächenhohlräume, Risse, Sprünge und Kantenversetzungen anzuzeigen. REM ist daher eine äußerst geeignete Methode zur Analyse von Komponentenfehlern.

REM kann auch verwendet werden, um die in der additiven Fertigung verwendeten Rohmaterialpulver zu analysieren, um beispielsweise Agglomerate zu erfassen, die Oberflächenrauheit zu bewerten und das Verhältnis von kugelförmigen zu unregelmäßig geformten Partikeln zu quantifizieren. All dies wirkt sich auf die Fließfähigkeit des Pulvers und das Sintern aus.

Zusätzliche Informationen

Messungen der kritischen Eigenschaften eines Pulvers für die additive Fertigung (engl.):

https://www.materialstoday.com/measuring-the-critical-attributes-of-am-powders