Robuster Strahlschmelzprozess durch methodische Parameterfindung

Die generativen Fertigungsverfahren, insbesondere metallverarbeitende, vollziehen mehr und mehr den Übergang vom Rapid Prototyping zur eigenständigen Fertigungstechnologie, dem Additive Manufacturing. Eine Sicherstellung der geforderten Bauteilqualitäten auch über einen langen Zeitraum kann nur ein robuster Prozess gewährleisten. Im Allgemeinen wird diese Grundlage jeder Fertigungstechnik mit der Forderung nach Prozesssicherheit gleichgesetzt. Diese oft nur vage formulierte Forderung wird näher beleuchtet und eine Definition der Prozesssicherheit für generative Verfahren vorgeschlagen. Ausgangspunkt ist die Analyse des Strahlschmelzprozesses, wie er unter den gegebenen Rahmenbedingungen vorliegt. Die sich daraus ergebenden systembedingten Schwankungen wurden bewertet, wobei der optische Aufbau, bzw. dessen Erwärmung als wichtigste Störgröße identifiziert wurde. Das Auftreten eines laserinduzierten Fokus-Shift wurde für den Strahlschmelzprozess nachgewiesen, woraus sich Festlegungen für die Belichtungsabfolge und -strategie ableiten lassen. Diese sind Grundlage der methodischen Parameterfindung. Der Wissensstand der Forschung bezüglich der Parameterfindung für dieses Verfahren wird aufgezeigt und erörtert, warum die Prozesssicherheit des Strahlschmelzprozesses unter den gegebenen Rahmenbedingungen als fraglich eingestuft werden muss. Konsequenz der theoretischen Vorbetrachtung sind grundlegende Festlegungen und Anpassungen der Belichtungsstrategie. Darauf abgestimmt wird die Erarbeitung einer Methodik zur Parameterfindung mit dem Ziel eines robusten Strahlschmelzprozesses dargelegt. Weiterhin werden Ziel-, Stell- und Störgrößen definiert und die Möglichkeit der Simulation dieser Störgrößen diskutiert. Die Ergebnisse dieser Methodik werden anhand zweier Werkstoffe (austenitischer Edelstahl 1.4404 und Nickelbasis-Superlegierung Inconel 939) exemplarisch vorgestellt und der Nachweis der Robustheit bei Nutzung der ermittelten Prozessparameter erbracht. In der Diskussion dieser Ergebnisse werden werkstoffspezifische Unterschiede deutlich sowie Aussagen zur Allgemeingültigkeit von Erkenntnissen getroffen. Die erarbeitete Methodik erlaubt zukünftig die systematische Untersuchung weiterer Einflussgrößen. So könnte etwa die Untersuchung des Gefüges strahlgeschmolzener Bauteile ein interessantes Forschungsfeld darstellen. Durch das Vorhandensein sehr kleiner Schmelzbäder, welche einer hohen Abkühlgeschwindigkeit unterliegen, entsteht ein spezifisches Gefüge, welches sich teilweise deutlich von dem aus konventioneller Herstellung unterscheidet. Hier ist vor allem die Ausbildung der Anisotropie und der Korngrößen weiter zu untersuchen. Damit verbunden kann aufgrund der sichergestellten Reproduzierbarkeit bei Verwendung robuster Prozessparameter die Wirkung von Wärmebehandlungen analysiert werden. Ein tieferes Verständnis der Gefügestrukturen strahlgeschmolzener Bauteile könnte beispielsweise die gezielte Steuerung von mechanischen Eigenschaften durch die Prozessparameter ermöglichen.