Diese Arbeit behandelt einen Teilbereich der Lasermaterialbearbeitung und setzt sich speziell mit den Grundlagen der Laserscanner-basierten Oberflächenglättung von SLM-Stahl 1.4404 auseinander. Zunächst wird auf den verwendeten Werkstoff, den SLM-Prozess und die SLM-Bauteile eigegangen und der experimentelle Aufbau beschrieben und dargelegt, bevor auf die eigentliche Durchführung der Versuchsreihen sowie deren Auswertung eingegangen wird. Aufgrund der Tatsache das es sich bei der Technologie des Laserpolierens um ein relativ neuartiges Fertigungsverfahren handelt und in diesem Forschungsfeld großer Forschungsbedarf besteht, wurde dieses Fertigungsverfahren Gegenstand meiner Untersuchungen und Inhalt der Ihnen vorliegenden Arbeit. Im speziellen wird der Anwendungsfall mit dem SLM-Werkstoff 1.4404 untersucht.
Die Geometrie der Versuchsproben wird an der SLM-Maschine aufgebaut. Es werden für die SLM-Werkstoff 1.4404 jeweils zwei Versuchsreihen durchgeführt. Diese Versuchsreihen untersuchen die Machbarkeit des Laserpolierens bzw. Makropolierens mittels 1D- Laserscanner in Abhängigkeit des verwendeten Werkstoffes. Durch die Betrachtung der einzelnen Versuchsreihen können Aussagen darüber getroffen werden, durch welche Parameterkombinationen die besten Bearbeitungsergebnisse in Abhängigkeit zur Baurichtung der SLM-Proben erzielt werden können bzw. wie sich die verschiedenen Parametereinstellungen auf die Politurergebnisse auswirken.
Des Weiteren wird der Einfluss mehrfacher Überfahrten (von n=1 bis n=4) auf die Polierergebnisse untersucht. Dabei wurden ebenfalls beide Baurichtungen des SLM-Werkstoffes 1.4404 zur Untersuchung herangezogen. Diese Untersuchungen wurden sowohl mit kontinuierlicher (cw) als auch mit gepulster (pw) Laserstrahlung durchgeführt. Hierbei wurde die Oberflächenglättung der jeweiligen Parameter in Abhängigkeit steigender Anzahl an Überfahrten n untersucht. In dieser Versuchsreihe wurden darüber hinaus Schliffpräparationen (Querschliffe der einzelnen Polierfelder) angefertigt, um die Umschmelztiefe zu detektieren und einen möglichen Zusammenhang zwischen Umschmelztiefe, Polierergebnis (Ra-Wert) und Anzahl der Überfahrten n zu Untersuchen und darzustellen.
Abschließend wurde in den Umschmelzzonen eine Härtemessung auf den Querschliffen der Versuchsproben durchgeführt, um einen prozessbedingten Einfluss auf die Härte des Werkstoffes zu untersuchen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung und Aufgabenstellung
2 Stand der Technik
2.1 Konventionelle Polierverfahren
2.2 Grundsätzliches Funktionsprinzip und wichtige Kenngrößen der Lasermaterialbearbeitung
2.2.1 Makropolieren
2.2.2 Mikropolieren
2.2.3 Makro- und Mikropolieren im Überblick
2.3 Oberflächenkennwerte
3 Stand der Wissenschaft
4 Experimenteller Aufbau
4.1 Generierung der Versuchsproben
4.1.1 Verwendeter Werkstoff SLM-Pulver 1.4404
4.1.2 Technische Daten der verwendeten SLM-Maschine
4.1.3 Herstellungsprozess der SLM-Proben
4.1.4 Geometrie und Aufbauorientierung der SLM-Versuchsproben
4.2 Vorbereitung und Reinigung der Versuchsproben
4.3 Laser und Laserstrahlquelle
4.4 Verwendeter Laserscanner
4.5 Prozesskammer und Restsauerstoffmessgerät
4.6 Laserpolierstrategie und Polierorientierung
4.7 Schliffpräparation
4.7.1 Trennstrategie und Entnahme der Versuchsproben
4.7.2 Metallographische Präparation von Schliffen
4.8 Analyse- und Messmethoden zur Ermittlung der Rauheitskennwerte
4.8.1 Taktiles Messverfahren mit dem MarSurf M 400
4.8.2 Optisches Analyseverfahren
4.8.3 Mikroskop Zeiss Axio Zoom.V16
4.9 Analyse- und Messmethode zur Ermittlung der Umschmelztiefe
4.9.1 Zeiss Axioplan 2 Imaging
4.9.2 Messstrategie zur Ermittlung der Umschmelztiefe
4.10 Analyse- und Messmethode zur Ermittlung der Werkstoffhärte
4.10.1 Härteprüfmaschine
4.10.2 Prüfverfahren und Messstrategie zur Ermittlung der Werkstoffhärte
5 Rauheitskennwerte der Ausgangsproben
5.1 Bauorientierung quer zur Gasstromrichtung
5.1.1 Rauheitskennwerte der Ausgangsproben parallel Achsvorschub und Bauschichten
5.1.2 Rauheitskennwerte der Ausgangsproben in Schichtaufbaurichtung
5.2 Bauorientierung in Gasstromrichtung
5.2.1 Rauheitskennwerte der Ausgangsproben Parallel zu Achsvorschub und Bauschichten
5.2.2 Rauheitskennwerte der Ausgangsproben in Schichtaufbaurichtung
5.3 Der Gauß-Filter
6 Versuchsplanung bei einfacher Überfahrt
6.1 Verwendete Parameter beim Laserpolieren im cw-Betrieb
6.2 Verwendete Parameter beim Laserpolieren im pw-Betrieb
7 Versuchsplanung bei mehrfacher Überfahrt
7.1 Verwendete Parameter beim Laserpolieren im cw-Betrieb
7.1.1 Bauorientierung quer zur Gasstromrichtung
7.1.2 Bauorientierung in Gasstromrichtung
7.2 Verwendete Parameter beim Laserpolieren im pw-Betrieb
7.2.1 Bauorientierung quer zur Gasstromrichtung
7.2.2 Bauorientierung in Gasstromrichtung
7.3 Versuchsdurchführung und grundsätzlicher Versuchsablauf
8 Ergebnisse und Diskussion
8.1 Parameterstudie im cw-Betrieb bei einfacher Überfahrt
8.1.1 Bauorientierung quer zur Gasstromrichtung
8.1.2 Bauorientierung in Gasstromrichtung
8.1.3 Bauorientierungsübergreifender Vergleich der Parameterstudie im cw-Betrieb
8.2 Parameterstudie im pw-Betrieb bei einfacher Überfahrt
8.2.1 Bauorientierung quer zur Gasstromrichtung
8.2.2 Bauorientierung in Gasstromrichtung
8.2.3 Bauorientierungsübergreifender Vergleich der Parameterstudie im pw-Betrieb
8.3 Parameterstudie im cw-Betrieb bei mehrfacher Überfahrt
8.3.1 Bauorientierung quer zur Gasstromrichtung
8.3.2 Bauorientierung in Gasstromrichtung
8.3.3 Bauorientierungsübergreifender Vergleich der Parameterstudie im cw-Betrieb
8.4 Parameterstudie im pw-Betrieb bei mehrfacher Überfahrt
8.4.1 Bauorientierung quer zur Gasstromrichtung
8.4.2 Bauorientierung in Gasstromrichtung
8.4.3 Bauorientierungsübergreifender Vergleich der Parameterstudie im pw-Betrieb
8.5 Umschmelztiefen-Analyse
8.6 Härteprüfung der Versuchsproben
9 Zusammenfassung und Ausblick
10 Literaturangaben
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Masterarbeit ist die Erforschung der laserscanner-basierten Oberflächenglättung von additiv gefertigtem SLM-Stahl 1.4404. Die Arbeit adressiert das Problem der manuellen, zeitintensiven Politur und untersucht die Machbarkeit, Prozesssicherheit und Wirtschaftlichkeit der Laserpolitur durch Umschmelzen mittels eines 1D-Laserscanners.
- Grundlagen des Laserpolierprozesses und Einflussparameter (cw und pw).
- Einfluss der Baurichtung und Prozessstrategie auf die Oberflächenrauheit (Ra, Rz).
- Analyse der Umschmelztiefe und Härteeinfluss durch den Polierprozess.
- Systematische Parameterstudie für einfache und mehrfache Überfahrten.
Auszug aus dem Buch
2 Stand der Technik
Unter Polieren versteht man grundsätzlich die Glättung von Oberflächen durch verschiedene Feinbearbeitungsverfahren. Bei konventionellen Polierverfahren kann diese Glättung manuell oder maschinell mit einem Polierwerkzeug erzeugt werden. Die vielschichtigen Einsatz- und Anwendungsgebiete polierter Oberflächen decken ein breites Spektrum im technischen Bereich ab, welches sich vom Automobilbau über Medizintechnik, Triebwerksbau bis hin zum Formenbau erstreckt.
Eine äußerst gängige Methode ist mechanische Politur. Die glättende Wirkung wird hier durch mehrere Mechanismen erzielt. Einerseits erfolgt die Glättung, indem die Rauigkeitsspitzen der Oberfläche plastisch und teilplastisch verformt werden. Andererseits wird Material abgetragen, wodurch dieses Verfahren in die Kategorie des selektiven Polierens eingeordnet werden kann. Der wesentliche Nachteil des mechanischen Polierens per Hand sind die, neben der gesundheitlich bedenklichen Feinstaubbelastung, verhältnismäßig langen Bearbeitungszeiten von 30 min/cm2 [1] und die daraus resultierenden geringen Flächenraten. Diese sind stark von der Komplexität der zu polierenden Geometrie abhängig. Des Weiteren wird das qualitative Ergebnis stark von der Erfahrung und dem Geschick des Handpolierers beeinflusst.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung und Aufgabenstellung: Erläuterung der Bedeutung der Laserbearbeitung und Definition des Forschungsziels zur Entwicklung eines robusten Laserpolierprozesses für SLM-Stahl 1.4404.
2 Stand der Technik: Übersicht über bestehende Polierverfahren wie mechanische Politur oder Roboterpolieren und Einführung in die Grundlagen des Laserpolierprozesses.
3 Stand der Wissenschaft: Diskussion relevanter Forschungsergebnisse, Dissertationen und Patente zum Laserpolieren von SLM-Bauteilen.
4 Experimenteller Aufbau: Detaillierte Beschreibung der verwendeten SLM-Maschinen, Laserquellen, Scannersysteme sowie der Messmethoden für Rauheit, Umschmelztiefe und Härte.
5 Rauheitskennwerte der Ausgangsproben: Analyse der ursprünglichen Oberflächenstruktur in Abhängigkeit von der Baurichtung.
6 Versuchsplanung bei einfacher Überfahrt: Definition der Parameterfenster für die Versuchsreihen mit kontinuierlicher und gepulster Laserstrahlung.
7 Versuchsplanung bei mehrfacher Überfahrt: Festlegung der Parametersätze für die Untersuchung des Einflusses von n=1 bis n=4 Überfahrten.
8 Ergebnisse und Diskussion: Auswertung der Parameterstudien hinsichtlich Rauheitsreduktion, Flächenrate, Umschmelztiefe und Härteverhalten.
9 Zusammenfassung und Ausblick: Zusammenfassende Bewertung der erreichten Glättungsergebnisse und Ausblick auf zukünftige Optimierungspotenziale.
Schlüsselwörter
Laserpolieren, SLM, Stahl 1.4404, Oberflächenglättung, Laserscanner, Makropolieren, Mikropolieren, Rauheitsmessung, Prozessparameter, Umschmelztiefe, Härteprüfung, Additive Fertigung, 3D-Metalldruck, cw-Betrieb, pw-Betrieb.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Forschungsarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung der Oberflächenqualität von additiv gefertigten Bauteilen aus SLM-Stahl 1.4404 durch den Prozess des Laserpolierens.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Im Zentrum stehen die verfahrenstechnischen Grundlagen des Laserpolierens, die Parameterstudie bei unterschiedlichen Betriebsarten (cw/pw) sowie die Analyse der resultierenden Oberflächenrauheit und Werkstoffeigenschaften.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist die Entwicklung eines robusten Prozesses mit hoher Prozesssicherheit und Flächenrate zur Glättung von SLM-Stahl-Oberflächen mittels Laserscanner.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein experimenteller Ansatz verfolgt, bei dem systematisch Parameterfenster variiert, die Ergebnisse taktil und optisch vermessen und mittels statistischer Auswertung sowie Fourier-Analyse interpretiert werden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst den experimentellen Aufbau, die Versuchsplanung für einfache und mehrfache Überfahrten sowie eine umfassende Diskussion der erzielten Parameterstudien unter Berücksichtigung verschiedener Baurichtungen.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Laserpolieren, Selektives Laserschmelzen (SLM), Rauheitskennwerte (Ra, Rz), Umschmelztiefe und Prozessoptimierung.
Wie unterscheidet sich das Makropolieren vom Mikropolieren?
Das Makropolieren nutzt kontinuierliche Laserstrahlung (cw) für tiefere Umschmelzzonen, während das Mikropolieren mit gepulster Strahlung (pw) erfolgt, um feinere Oberflächenstrukturen bei geringerer Wärmeeinflusszone zu glätten.
Welchen Einfluss haben mehrfache Überfahrten auf die Rauheit?
Mehrfache Überfahrten (n=1 bis n=4) führen tendenziell zu einer Reduktion der Rauheitswerte, wobei jedoch nach einer gewissen Anzahl an Überfahrten kein signifikanter Mehrwert mehr feststellbar ist und der Prozessaufwand in keinem wirtschaftlichen Verhältnis steht.
Welche Rolle spielt die Schmauchbildung beim Polierprozess?
Die Schmauchbildung stellt eine systemkritische Grenze dar, da Ablagerungen auf der Schutzscheibe die Laserleistung absorbieren und somit die Prozessstabilität bei hohen Intensitäten negativ beeinflussen.
- Citar trabajo
- Simon Lutz (Autor), 2017, Laserscanner-basierte Oberflächenglättung von SLM-Stahl 1.4404, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/415466
