Oberflächeneigenschaften bei Laserschmelzen von Metallpulvern
| Arbeitspaket | 5: Qualitätsmonitoring |
| Konsortialpartner | FHWS, toolcraft |
Um die Qualität des gefertigten Bauteils festzustellen ist eine Untersuchung und Beurteilung der Oberfläche notwendig.
Hintergrund und Herausforderung
Mit dem Projektpartner toolcraft wurde ein Arbeitstreffen für eine offene Diskussion über das Thema Oberflächenqualität angesetzt. Hierbei standen bei toolcraft strömungstechnische Bauteile im Fokus, mit dem Ansatz, die Geometrie dieser zu verändern um auch feinere Strukturen untersuchen zu können. Geplant war hierbei zwischen den Projektpartner FHWS und toolcraft ein Druckjob, mit dem gleichen Bauteil und dem gleichen Material aber mit zwei unterschiedlichen Anlagen. Dieses Vorhaben konnte aufgrund von unterschiedlichen Materialhandhabungen nicht durchgeführt werden.
Dennoch konnten die Erkenntnisse aus diesem Gespräch in Form eines weiteren Ansatzes verwertet werden. Da immer noch im Fokus stand, wann ein Bauteil als gut bzw. schlecht eingegliedert wird wurde die Methodik des Design of Experiments (DoE) herangezogen.
Design of Experiment/Design of Experiment Matrix
Die Design of Experiment Matrix (DoE-Matrix) ermöglicht pro Prüfkörper verschiedene Einstellungsparameter miteinander zu kombinieren. In diesem Untersuchungsrahmen wurden folgende Parameter festgelegt:
- Hatch-Abstand
- Scangeschwindigkeit
- Laserleistung
- Position auf der Bauplattform (x/y)
Um die Qualität der Oberfläche nach dem Druckjob bewerten zu können werden folgende Messungen durchgeführt:
- relative Dichte
- Härte
- Oberflächenrauheit
Untersuchungsobjekt - Ikosaeder
Bei dem ➭Prüfkörper handelt es sich um einen ➭Ikosaeder. Dieser hat insgesamt 20 Flächen mit gleichseitigen Dreiecken. Es wurde sich hierfür entschieden um so verschiedene Orientierungen aufgrund der Vielzahl an Flächen auf der Bauplattform und zum Recoater untersuchen zu können. Hierbei kann abgeleitet werden, wie die Orientierung eines Bauteils Einfluss auf die Qualität des gedruckten Teils hat.
Vorgehen
Um die Ausgangsfrage beantworten zu können wurde folgendes Vorgehen verfolgt.
- Erstellung der DoE-Matrix
- Druckjob Ikosaeder
- Durchführung der Messungen
- Auswertung der Messergebnisse
DoE-Matrix und Druckjob der Ikosaeder
Insgesamt 27 Ikosaeder mit unterschiedlichen Parametern resultieren aus der DoE-Matrix. Während des Druckjobs musste ein Ikosaeder ausgeblendet werden, weil dieser NIO war. Daher sind es letztendlich 26 Ikosaeder mit der gleichen Orientierung im Raum. Insgesamt konnten von den 20 Flächen nur 18 ausgewertet werden, da eine Fläche für den Support und die andere Fläche für die Ikosaeder-Nummerierung verwendet wurde. Der Druckjob erfolgte stützstrukturenfrei.
Messungen
Relative Dichte
Um die relative Dichte zu untersuchen wurde von derselben Fläche jedes Ikosaeders ein Schliffbild erstellt. Hier wurde die Relation von schwarzen zu weißen Poren bestimmt, um daraus die relative Dichte ableiten zu können.
Härte
Die Härteprüfung erfolgte nach ➭Vickers 4N.
Oberfläche
Der Fokus dieser Untersuchungen lag auf dem Mittenrauwert Ra und der Rautiefe Rz . Hierfür wurde das Messgerät 'Mahr Mahrsurf LD 130' verwendet. Die Messung erfolgte taktil mit einer Taststrecke von ca. 4 mm.
Festlegung der Orientierungen
Orientierung der Achsen
Orientierung der Ikosaeder-Flächen zur Bauplattform
Orientierung der Ikosaeder-Flächen zur Bauplattform
Auswertung
Relative Dichte und Härte
Die relative Dichte und die Härteuntersuchungen wiesen keine signifikanten Erkenntnisse auf.
Oberflächenrauheiten
Ra/Rz in Abhängigkeit zur Bauplattform
Ra in Abhängigkeit zur Bauplattform
Rz in Abhängigkeit zur Bauplattform
Die x-Achse stellt die fünf Orientierungen zur Bauplattform dar und die y-Achse Ra in µm. Es wurden jeweils die Messwerte den Orientierungen zugeteilt und der Mittelwert bestimmt. Für Rz wurde dasselbe durchgeführt. Es ist zu erkennen, dass die Verteilung innerhalb der Gruppen gleichmäßig ist, trotz Ausreißer. Bei beiden Auswertungen wurde der Bereich von upskin zu downskin deutlich, welcher in der Grafik gekennzeichnet wurde. Auch nimmt die Rauheit von upskin zu downskin zu.
Ra in Abhängigkeit zur Recoaterrichtung
Ra in Abhängigkeit zur Recoaterrichtung
Rz in Abhängigkeit zur Recoaterrichtung
Die x-Achse stellt die Orientierungen zur Recoaterrichtung bzw. zum Argonstrom darf. Die y-Achse zeigt Ra in µm. Dasselbe wurde auch wieder für Rz durchgeführt. Offensichtlich besteht keine direkte Abhängigkeit der Oberflächenrauheit zur Orientierung der Recoater bzw. Gasrichtung.
Ra/Rz in Abhängigkeit zur x/y-Position (Orientierung zur Baurichtung 0°, upskin)
Ra in Abhängigkeit zur x/y-Position, upskin
Rz in Abhängigkeit zur x/y-Position, upskin
Die Fläche parallel zur Bauplattform weist hohe Schwankungen hinsichtlich der Rauheit der einzelnen Ikosaeder auf.
Ra/Rz in Abhängigkeit zur x/y-Position (upskin)
Ra in Abhängigkeit zur x/y-Position, upskin
Rz in Abhängigkeit zur x/y-Position, upskin
Die upskin-Flächen weisen eine gleichmäßige Rauheit auf.
Ra/Rz in Abhängigkeit zur x/y-Position (downskin)
Ra in Abhängigkeit zur x/y-Position, downskin
Rz in Abhängigkeit zur x/y-Position, downskin
Die downskin-Flächen weisen eine gleichmäßige Rauheit auf, dennoch aber größer als bei upskin.
Empfehlung: Anordnung der Bauteile auf der Bauplattform unter einer gewissen Kippung zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Oberflächenrauheit.