Laserscanner-basierte Oberflächenglättung von SLM-Stahl 1.4404

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Kurzfassung

Abstract

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

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
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
4.8.2 Optisches Analyseverfahren
4.8.3 Mikroskop Zeiss Axio Zoom.V
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

Anhang

10 Literaturangaben

Vorwort

Diese Masterarbeit ist im Rahmen meines Masterstudiums „Advanced Materials and Manufacturing“ entstanden und enthält die erarbeiteten Forschungsergebnisse des zweiten und dritten Semesters. Um die Ergebnisse des dritten Semesters verstehen zu können war die Aufnahme der Herangehensweise und Diskussion der Ergebnisse aus dem zweiten Semester unabdingbar. Die Masterarbeit enthält Forschungsergebnisse weiterführender Untersuchungen und ist als Erweiterung bzw. Fortsetzung zu meinen Forschungsberichten 1 und 2 zu betrachten.

Da im dritten Semester meines Studiums die erarbeiteten Untersuchungen und Ergebnisse in der nun vorliegenden Masterarbeit mündeten, möchte ich die Gelegenheit nutzen und mich bei meinem Erstbetreuer: Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Harald Riegel, sowie bei weiteren Unterstützern Bahrudin Burzic, Markus Hofele und Gaby Ketzer-Raichle recht herzlich für die exzellente Zusammenarbeit und die zahlreichen Hilfestellungen im Verlauf meiner bisherigen Forschungstätigkeit bedanken.

Diese hat maßgeblich zum Erfolg meiner Untersuchungen beigetragen und es ermöglicht, dass diese Masterarbeit in dieser Form vorgelegt werden konnte.

Kurzfassung

Die Ihnen vorliegende Arbeit behandelt einen Teilbereich der Lasermaterialbearbeitung und setzt sich speziell mit den Grundlagen der Laserscanner- basierten Oberflächenglättung von SLM-Stahl 1.4404 auseinander. Dieser Forschungsbericht enthält weiterführende Untersuchungen und baut auf den Forschungsbericht 1 auf, in welchem die Grundlagen und der Stand der Wissenschaft des Laserpolierprozesses ausführlich dargelegt wurden.

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 setzen sich aus jeweils einer Versuchsreihe mit kontinuierlicher Laserstrahlung (cw) und gepulster Laserstrahlung (pw) zusammen. Diese Versuchsreihen untersuchen die Machbarkeit des Laserpolierens bzw. Makropolierens mittels 1D- Laserscanner in Abhängigkeit des verwendeten Werkstoffes. Für die Versuchsreihen wird mit einem iterativer Verfahren die passende Parameterkombination bei der Anzahl von n=1 Überfahrten gesucht.

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. Zusätzlich wird in der Diskussion der Ergebnisse die Bearbeitungszeit in die Betrachtung mit einbezogen, da diese beim Polieren eine wichtige Größe darstellt.

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. Für das Parameterfenster wurden die jeweils besten 10 Parameter aus den vorangegangenen Versuchsreihen in der jeweiligen Baurichtung sowie Betriebsart (cw und pw) verwendet. 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.

Abstract

The present work deals with a subrange of laser material processing and deals specifically with the basics of laserscanner-based surface smoothing of SLM steel 1.4404. This research report contains further studies based on the research report 1, in which the fundamental principles and the state of the science of the laser polishing process have been described in detail.

Initially, the material, the SLM process and the SLM components and the experimental set-up is described and explained, before the actual execution of the test series and the evaluation are discussed. Due to the facts that the technology of Laser Polishing is a relatively new type of manufacturing process and great demand of research, in this field of research, this production method has been the subject of my investigations and content of the present you work. Specifically, the application with steel SLM 1.4404 is investigated.

The geometry of the test samples is built on the SLM machine. For the SLM material 1.4404, two test series are carried out, each consisting of a series of tests with a continuous laser power (cw) and a pulsed laser power (pw). These test series investigate the feasibility of laser polishing or macropolishing by using a 1D laser scanner depending on the material 1.4404. For the test series, an appropriate parameter combination is searched for with the number of n=1 crossings.

By looking at the individual series of experiments statements may be adopted by which combinations of parameters the best machining results can be achieved, depending on the building direction of SLM samples and how the different parameter settings affect the polishing results. In addition, the discussion of the results includes the analysis of the processing time, because this is an important factor in polishing.

Furthermore, the influence of multiple overpasses (from n = 1 to n = 4) is examined for the polishing results. Both building directions of the SLM material 1.4404 were also used for the investigation. These investigations were carried out with continuous (cw) as well as with pulsed (pw) laser radiation. For the parameter window, the best 10 parameters from the previous series of tests were used in the respective construction direction as well as the operating mode (cw and pw). In this case, the surface smoothing of the respective parameters was examined as a function of the increasing number of crossings n. In this series of experiments, a cut preparation (cross-sections of the individual polishing fields) was prepared in order to detect the remelting depth and to examine and represent a possible relationship between remelting depth, polishing result (Ra value) and number of crossings n.

Finally, a hardening measurement was carried out in the remelting zones on the cross-sections of the test specimens in order to investigate a process-induced influence on the hardness of the material.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 - Fokuslage in Abhängigkeit von der z-Koordinate

Abbildung 2 - Fokuslage in Abhängigkeit von der z-Koordinate i.A.a. Formel 2 [3]

Abbildung 3 - Einflussgrößen und Verfahrensprinzip beim Laserpolieren [4]

Abbildung 4 - Pulsüberdeckung/Pulsüberdeckung bei der Bearbeitung mit gepulster Laserstrahlung

Abbildung 5 - Verfahrensprinzip beim Laserpolieren mit einem 1D-Laserscanner [5]

Abbildung 6 - Die drei grundsätzlichen Arten des Laserpolierens [7]

Abbildung 7 - Schematische Darstellung des Makropolierprozesses [10]

Abbildung 8 - Schematische Darstellung des Mikropolierprozesses [10]

Abbildung 9 - Makro- und Mikropolieren im Überblick [11]

Abbildung 10 - Charakterisierung polierter Oberflächen [11]

Abbildung 11 - Bildung des arithmetischen Mittelrauwertes Ra [17]

Abbildung 12 - Unterschiedliche Profile mit gleichem Mittelrauwert Ra [17]

Abbildung 13 - Definition der Rautiefe Rz, der maximalen Einzelrautiefe Rmax und der Rautiefe Rt

Abbildung 14 - Periodisches und aperiodisches Profil [19]

Abbildung 15 - Zusammenhänge zwischen Grenzwellenlänge λc, Taststrecke und Messstrecke nach DIN EN ISO 4288:1998 und DIN EN ISO 3274:1998 [21]

Abbildung 16 - Darstellung einer Oberfläche und daraus abgeleiteter Abbott-Kurve [21]

Abbildung 17 - Gegenüberstellung der 2D- und der 3D-Kenngrößen [21]

Abbildung 18 - Maschine SLM® 280 HL

Abbildung 19 - Arbeitskammer der Maschine SLM® 280 HL

Abbildung 20 - Doppel-Gehrungsbandsäge 305 AutoCut

Abbildung 21 - Aufbauorientierung der Versuchsproben

Abbildung 22 - TruMark Station 5020 [29]

Abbildung 23 - Scheibenlaser der Firma Trumpf TruDisk 4002 [30, 31]

Abbildung 24 - Laserschutzkabine der Firma Trumpf TLC

Abbildung 25 - 1D-Laserscanner vom Fraunhofer Institut Werkstoff- und Strahltechnik [15]

Abbildung 26 - Lasercell 40 Prozesskammer mit verbundenem Restsauerstoffmessgerät PRO2 plus

Abbildung 27 - Laserpolierorientierung

Abbildung 28 - Trennstrategie

Abbildung 29 - Trennmaschine Struers Secotom-

Abbildung 30 - Einbettmaschine Struers Prontopress-10 [36]

Abbildung 31 - Arbeitsraum Struers Prontopress-10 [35]

Abbildung 32 - Poliergerät Buehler AutoMet 250 (links) Versuchsproben (recht)

Abbildung 33 - Taktiles Messgerät MarSurf M 400 [37]

Abbildung 34 - Messrichtungen zur Ermittlung der Ausgangsrauheit

Abbildung 35 - Messrichtungen auf den Polierfeldern

Abbildung 36 - Weißlichtinterferometer Zygo ZeGage [38]

Abbildung 37 - Zeiss Axio Zoom.V

Abbildung 38 - Zeiss Axioplan 2 Imaging [39]

Abbildung 39 - Messstrategie zur Ermittlung der Umschmelztiefe

Abbildung 40 - Mikro-/Kleinkraft-Härteprüfmaschine DuraScan 20 G

Abbildung 41 - Messstrategie zur Ermittlung der Härte in der Umschmelzzone

Abbildung 42 - Leistungsregelung über eine bestimmte Pendelbreite im cw-Betrieb

Abbildung 43 - Leistungsregelung über eine bestimmte Pendelbreite im pw-Betrieb

Abbildung 44 - Pendellänge in Abhängigkeit der Anregungsspannung/Pendelfrequenz

Abbildung 45 - Schematische Darstellung des Laserpolierprozesses mittels 1D-Scanneroptik

Abbildung 46 - Laserstrahlintensität über Ra-Wert | cw-Betrieb | Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten | 800, 1000 W

Abbildung 47 - Laserstrahlintensitäten über Ra-Wert | cw-Betrieb | Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten | Pendelfrequenz 100 Hz

Abbildung 48 - Laserstrahlintensität über Ra-Wert | cw-Betrieb | Messrichtung in Pendel- und Schichtaufbaurichtung | Bauorientierung N | 800, 1000 W

Abbildung 49 - Laserstrahlintensität über Ra-Wert | cw-Betrieb | Messrichtung in Pendel- und Schichtaufbaurichtung | Bauorientierung N | Pendelfrequenz 100 Hz

Abbildung 50 - Laserstrahlintensität über Ra-Wert | cw-Betrieb | Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten | Bauorientierung S | 800, 1000 W

Abbildung 51 - Laserstrahlintensität über Ra-Wert | cw-Betrieb | Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten | Bauorientierung S | Pendelfrequenz 100 Hz

Abbildung 52 - Laserstrahlintensität über Ra-Wert | cw-Betrieb | Messrichtung in Pendel- und Schichtaufbaurichtung | Bauorientierung S | 800, 1000 W

Abbildung 53 - Laserstrahlintensität über Ra-Wert | cw-Betrieb | Messrichtung in Pendel- und Schichtaufbaurichtung | Bauorientierung S | Pendelfrequenz 100 Hz

Abbildung 54 - Fourier-Analyse | cw-Betrieb | Bauorientierung quer zur Gasstromrichtung

Abbildung 55 - Fourier-Analyse | cw-Betrieb | Bauorientierung in Gasstromrichtung

Abbildung 56 - Parameterfeld 1 (links) Parameterfeld 2 (rechts) | cw-Betrieb | Bauorientierung quer zum Gasstrom

Abbildung 57 - Parameterfeld 1 (links) Parameterfeld 2 (rechts) | cw-Betrieb | Bauorientierung in Gasstromrichtung

Abbildung 58 - Laserstrahlintensität über Ra-Wert | pw-Betrieb | Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten | Bauorientierung N | 600, 800, 1000, 1200 W

Abbildung 59 - Laserstrahlintensität über Ra-Wert | pw-Betrieb | Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten | Bauorientierung N | 1000 W

Abbildung 60 - Laserstrahlintensität über Ra-Wert | pw-Betrieb | Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten | Bauorientierung N | 1200 W

Abbildung 61 - Laserstrahlintensität über Ra-Wert | pw-Betrieb | Messrichtung in Pendelrichtung und Schichtaufbaurichtung | Bauorientierung N | 600, 800, 1000, 1200 W

Abbildung 62 - Laserstrahlintensität über Ra-Wert | pw-Betrieb | Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten | Bauorientierung S | 600, 800, 1000, 1200 W

Abbildung 63 - Laserstrahlintensität über Ra-Wert | pw-Betrieb | Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten | Bauorientierung S | 1000 W

Abbildung 64 - Laserstrahlintensität über Ra-Wert | pw-Betrieb | Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten | Bauorientierung S | 1200 W

Abbildung 65 - Laserstrahlintensität über Ra-Wert | pw-Betrieb | Messrichtung in Pendelrichtung und Schichtaufbaurichtung | Bauorientierung S | 600, 800, 1000, 1200 W

Abbildung 66 - Fourier-Analyse | pw-Betrieb | Bauorientierung quer zur Gasstromrichtung

Abbildung 67 - Fourier-Analyse | pw-Betrieb | Bauorientierung in Gasstromrichtung

Abbildung 68 - Parameterfeld 57 (links) Parameterfeld 58 (rechts) | pw-Betrieb | Bauorientierung quer zum Gasstrom

Abbildung 69 - Parameterfeld 57 (links) Parameterfeld 58 (rechts) | pw-Betrieb | Bauorientierung in Gasstromrichtung

Abbildung 70 - Entwicklung der Ra-Werte mit steigender Anzahl an Überfahrten n im cw-Betrieb | Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten| Baurichtung N

Abbildung 71 - Entwicklung der Ra-Werte mit steigender Anzahl an Überfahrten n im cw-Betrieb | Messrichtung in Schichtaufbaurichtung | Baurichtung N

Abbildung 72 - Globale Entwicklung der Ra-Werte mit steigender Anzahl an Überfahrten n im cw-Betrieb | Baurichtung N

Abbildung 73 - Entwicklung der Ra-Werte mit steigender Anzahl an Überfahrten n im cw-Betrieb | Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten | Baurichtung S

Abbildung 74 - Entwicklung der Ra-Werte mit steigender Anzahl an Überfahrten n im cw-Betrieb | Messrichtung in Schichtaufbaurichtung | Baurichtung S

Abbildung 75 - Globale Entwicklung der Ra-Werte mit steigender Anzahl an Überfahrten n im cw-Betrieb | Baurichtung S

Abbildung 76 - Entwicklung der Ra-Werte mit steigender Anzahl an Überfahrten n im pw-Betrieb | Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten| Baurichtung N

Abbildung 77 - Entwicklung der Ra-Werte mit steigender Anzahl an Überfahrten n im pw-Betrieb | Messrichtung in Schichtaufbaurichtung| Baurichtung N

Abbildung 78 - Globale Entwicklung der Ra-Werte mit steigender Anzahl an Überfahrten n im pw-Betrieb | Baurichtung N

Abbildung 79 - Entwicklung der Ra-Werte mit steigender Anzahl an Überfahrten n im pw-Betrieb | Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten| Baurichtung S

Abbildung 80 - Entwicklung der Ra-Werte mit steigender Anzahl an Überfahrten n im pw-Betrieb | Messrichtung in Schichtaufbaurichtung| Baurichtung S

Abbildung 81 - Globale Entwicklung der Ra-Werte mit steigender Anzahl an Überfahrten n im pw-Betrieb | Baurichtung S

Abbildung 82 - Parameterbezogene Entwicklung der Einschmelztiefe mit steigender Anzahl an Überfahrten

Abbildung 83 - Globale parameterübergreifende Entwicklung der Einschmelztiefe mit steigender Anzahl an Überfahrten n

Abbildung 84 - Gefügeausprägung des SLM-Werkstoffes

Abbildung 85 - Entwicklung der Härte [HV] mit steigender Anzahl an Überfahrten

Abbildung 86 - Fourier-Analyse Rz | cw-Betrieb / pw-Betrieb | Bauorientierung quer zur Gasstromrichtung

Abbildung 87 - Fourier-Analyse Rz | cw-Betrieb / pw-Betrieb | Bauorientierung in Gasstromrichtung

Abbildung 88 - Fourier-Analyse Rz | cw-Betrieb / pw-Betrieb / n=4 | Bauorientierung quer zur Gasstromrichtung

Abbildung 89 - Fourier-Analyse Rz | cw-Betrieb / pw-Betrieb / n=4 | Bauorientierung in Gasstromrichtung

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 - Technisches Datenblatt Stahlpulver 1.4404[28]

Tabelle 2 - Technische Daten der Maschine SLM® 280 HL

Tabelle 3 - Reinigungsparameter TruMark Station

Tabelle 4 - Technische Daten TruDisk 4002 der Firma Trumpf

Tabelle 5 - Technische Daten Laserscanner Lasertronic SAO 10.6/1D

Tabelle 6 - Grenzwellenlängen λc[17]

Tabelle 7 - Zusammenhang zwischen Grenzwellenlänge λc, Taststrecke und Messstrecke nach DIN EN ISO 4288:1998 und DIN EN ISO 3274:1998[21]

Tabelle 8 - Rauheitskennwerte der Ausgangsproben parallel zu Achsvorschub und Bauschichten in Bauorientierung N

Tabelle 9 - Rauheitskennwerte der Ausgangsproben in Schichtaufbaurichtung in Bauorientierung N

Tabelle 10 - Rauheitskennwerte der Ausgangsproben parallel zu Achsvorschub und Bauschichten in Bauorientierung S

Tabelle 11 - Rauheitskennwerte der Ausgangsproben in Schichtaufbaurichtung in Bauorientierung S

Tabelle 12 - Konstante Parameter

Tabelle 13 - Parameterfenster mit Pendelfrequenz 100 Hz im cw-Betrieb

Tabelle 14 - Parameterfenster mit Pendelfrequenz 200 Hz im cw-Betrieb

Tabelle 15 - Parameterfenster im Pulsleistungsbereich von 600 W im pw-Betrieb

Tabelle 16 - Parameterfenster im Pulsleistungsbereich von 800 W im pw-Betrieb

Tabelle 17 - Parameterfenster im Pulsleistungsbereich von 1000 W im pw-Betrieb

Tabelle 18 - Parameterfenster im Pulsleistungsbereich von 1200 W im pw-Betrieb

Tabelle 19 - Topparameter | Messrichtungsübergreifend | Baurichtung N | cw-Betrieb

Tabelle 20 - Parameterübersicht | Baurichtung N | cw-Betrieb

Tabelle 21 - Topparameter | Messrichtungsübergreifend | Baurichtung S | cw-Betrieb

Tabelle 22 - Parameterübersicht | Baurichtung S | cw-Betrieb

Tabelle 23 - Topparameter | Messrichtungsübergreifend | Baurichtung N | pw-Betrieb

Tabelle 24 - Parameterübersicht | Baurichtung N | pw-Betrieb

Tabelle 25 - Topparameter | Messrichtungsübergreifend | Baurichtung S | pw-Betrieb

Tabelle 26 - Parameterübersicht | Baurichtung S | pw-Betrieb

Tabelle 27 - Top 8 Ergebnisse / cw-Betrieb / Bauorientierung N / Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten

Tabelle 28 - Top 8 Ergebnisse / cw-Betrieb / Bauorientierung N / Messrichtung in Schichtaufbaurichtung

Tabelle 29 - Top 8 Ergebnisse / cw-Betrieb / Bauorientierung S / Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten

Tabelle 30 - Top 8 Ergebnisse / cw-Betrieb / Bauorientierung S / Messrichtung in Schichtaufbaurichtung

Tabelle 31 - Top 8 Ergebnisse / pw-Betrieb / Bauorientierung N / Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten

Tabelle 32 - Top 8 Ergebnisse / pw-Betrieb / Bauorientierung N / Messrichtung in Schichtaufbaurichtung

Tabelle 33 - Top 8 Ergebnisse / pw-Betrieb / Bauorientierung S / Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten

Tabelle 34 - Top 8 Ergebnisse / pw-Betrieb / Bauorientierung S / Messrichtung in Schichtaufbaurichtung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung und Aufgabenstellung

In den vergangenen Jahren gewann der Laserstrahl als flexibel einsetzbares und verschleißloses Werkzeug in der Lasermaterialbearbeitung auf einem breiten Anwendungsgebiet immer mehr an Bedeutung. Aufgrund des Bedarfs an flexiblen Materialbearbeitungsprozessen steigt die Nachfrage nach Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung stetig an. Diesem Trend folgend, ergeben sich in der Lasermaterialbearbeitung ständig neue Herausforderungen und Anforderungsprofile. Um diesen kundenspezifischen Anforderungsprofilen gerecht werden zu können, müssen die Lasermaterialbearbeitungsprozesse wie z.B. Schneiden, Schweißen, Bohren, Strukturieren, Reinigen und Abtragen kontinuierlich optimiert und weiterentwickelt werden. Parallel dazu entsteht der Bedarf an neuartigen Verfahrensprozessen, wie z.B. dem Laserpolieren, was im Kern Gegenstand dieser Arbeit ist.

Bei Betrachtung und Untersuchung konventioneller Polierverfahren wird schnell deutlich, dass es hier einer Optimierung bedarf. Das manuelle Polierverfahren ist ein Prozess, welcher sehr zeitintensiv und vor allem qualitativ von der Erfahrung und dem Geschick des Handpolierers abhängig ist. Automatisierte Polierverfahren wie das polieren mittels Robotertechnik hat den Nachteil, dass man bei komplizierten Geometrien und der daraus resultierenden komplexen Bahnbewegungen und Maschineneigenschaften an die Grenzen der Machbarkeit stößt, wodurch auch hier wieder auf das manuelle Polierverfahren zurückgegriffen werden muss. Eine Lösung bietet der formerhaltende Prozess des Laserpolierens mittels Umschmelzen. In diesem Polierprozess wird eine dünne Schicht an der Oberfläche des zu bearbeitenden Grundwerkstoffes mittels Laserstrahlung aufgeschmolzen bzw. umgeschmolzen. Bedingt durch die Oberflächenspannung des aufgeschmolzenen Werkstoffes wird die Oberfläche geglättet. Bei diesem Bearbeitungsprozess zeigt sich bei Stahl mit ausreichendem Kohlenstoffanteil der Effekt, im gleichen Arbeitsgang neben der Oberflächenbearbeitung die Oberfläche bzw. die Randschicht zu härten. Das Laserpolieren im Allgemeinen, insbesondere das Laserpolieren von SLM-Stählen in diesem Fall der SLM-Werkstoff 1.4404, ist weitestgehend noch nicht ausreichend erforscht, um eine ausreichende Prozesssicherheit gewährleisten zu können. Dieser Sachverhalt und die daraus resultierenden Problemstellungen stellt die Motivation der Bearbeitung dieses Themas dar. Das SLM-Verfahren ist ein generatives bzw. additives, werkzeugloses Fertigungsverfahren für metallische Werkstoffe, als übergeordnete Bezeichnung hat sich der Begriff 3D-Metalldruck etabliert. Dabei wird das zu verarbeitende Metall in Pulverform durch Belichtung mittels Laserstrahlung lokal umgeschmolzen. Der Aufbau von Bauteilen erfolgt dabei Schicht für Schicht.

Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, das Laserpolieren von SLM-Stahl 1.4404 mittels Laserscanners zu erforschen, Erkenntnisse zu gewinnen und daraus einen robusten Prozess mit einer möglichst hohen Prozesssicherheit und geringer Prozesszeit (hohe Flächenrate) zu entwickeln.

2 Stand der Technik

2.1 Konventionelle Polierverfahren

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.

Eine weitere Methode ist das Roboterpolieren. Auch dieses Verfahren wird ebenfalls in die Kategorie des selektiven Polierens eingeordnet. Die Glättung einer Oberfläche wird hier innerhalb einer Roboterzelle mit Poliersuspensionsversorgung und einem 6-Achs-Roboter umgesetzt. Mit dieser Methode kann der Poliervorgang automatisiert werden, jedoch ist der Automatisierungsgrad stark von der Komplexität der zu polierenden Geometrie abhängig und wird mit zunehmender Komplexität eingegrenzt. Somit ist dieses Verfahren nicht für jeden Anwendungsfall vollständig zur selektiven Politur geeignet, da nachfolgend eine manuelle Nachbearbeitung erforderlich sein kann.

Neben den oben genannten Polierverfahren gibt es noch weitere Verfahren um eine polierte Oberfläche realisieren zu können, wie z.B. das elektrochemische Polieren, das Plasmapolieren oder das Elektronenstrahlpolieren. Auch diese Verfahrensprozesse sind mit langen Bearbeitungszeiten oder mit hohen Nebenzeiten verbunden. Das Laserpolieren im Speziellen ist in diesem Bereich der Fertigung eine noch relativ junge Technologie und bietet hinsichtlich der Automatisierung und der Bearbeitungszeit gegenüber anderen Verfahren großes Optimierungspotential. Im folgenden Kapitel wird auf den Vorgang des Laserpolierens eingegangen und dieser näher betrachtet.

2.2 Grundsätzliches Funktionsprinzip und wichtige Kenngrößen der Lasermaterialbearbeitung

Im Folgenden wird das grundsätzliche Funktionsprinzip der Lasermaterialbearbeitung erläutert und auf die Prozessparameter eingegangen, wobei zu beachten ist, dass die wichtigen Strahlparameter vom jeweils verwendeten Laser abhängig sind.

Das grundsätzliche Funktionsprinzip der Lasermaterialbearbeitung basiert auf der Umwandlung von elektromagnetischer Energie in Wärme, hierbei ist lediglich der prozentuale Anteil der in Wärme umgewandelten elektromagnetischen Energie bzw. die absorbierte Energie entscheidend. Bei einer Vielzahl an Verfahren der Lasermaterialbearbeitung erfolgt deren Umsetzung durch eine Fokussierung des Laserstrahls auf einen möglichst geringen Durchmesser. Die Fokussierbarkeit des Laserstrahls ist dabei von der Strahlqualität des verwendeten Lasers abhängig. Der Laserpolierprozess wird z.B. nach[2] zwischen Leistungsdichten von 10-2 kW/mm2 und 100 kW/mm2 und einer Einwirkdauer der Laserstrahlung zwischen 10-2 s und 100 s eingeordnet, wobei die von beschriebene Leistungsdichte und Einwirkdauer jedoch je nach zu bearbeitendem Material und dessen Ausgangsstruktur variieren kann. Die Leistungsdichte bzw. Intensität I gibt an, welche Leistung pro Fläche in ein Grundmaterial eingebracht wird und wird allgemein berechnet mit:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(1)

PL bezeichnet hierbei die eingebrachte Laserleistung und A die Fläche des Laserstrahlquerschnitts.

Die Fokusposition des Laserstrahls ist eine wichtige Kenngröße in der Lasertechnik. Sie liegt bei einer positiven z-Koordinate, bedingt durch die Steuerung des Lasers, oberhalb und bei einer negativen z-Koordinate folglich unterhalb der Werkstückoberfläche. Nimmt die Fokusposition den Wert z = 0 an, so liegt der Fokus des Laserstrahls direkt auf der Werkstückoberfläche (Abbildung 1). Der Laserstrahl des Lasers in der vorliegenden Arbeit kann näherungsweise mit einem Gauß`schen Strahl beschrieben werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 - Fokuslage in Abhängigkeit von der z-Koordinate

Bei bekanntem minimalen Fokusradius (Taillen-Radius) w0 und bekannter Rayleighlänge zR, kann der Strahlradius w(z) eines Gauß`schen Strahls bei beliebiger Strahlenausbreitung in z-Richtung, mit folgender Formel berechnet werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(2)

In Gl. 2 entspricht w0 dem Radius der Strahltaille, also dem minimalsten Strahlradius. Für die Bestimmung des Strahlradius muss die Rayleighlänge zR bekannt sein. Die Rayleighlänge gibt an, nach welcher Distanz entlang einer optischen Achse sich die Querschnittsfläche der Strahltaille verdoppelt und sich somit die Intensität halbiert. Sie berechnet sich aus dem minimalen Strahlradius w0, dem Strahlenparameterprodukt SPP oder anderen Größen, die zu einem adäquaten Ergebnis führen.

analog dazu:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(3)

w(z) → Strahlradius in Abhängigkeit von z [m]

w0 → Fokusradius bzw. minimaler Taillen-Radius [m]

d(z) → Strahldurchmesser in Abhängigkeit von z [m]

dF → Fokusdurchmesser bzw. minimaler Taillen-Radius [m]

zR → Rayleighlänge [m]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 - Fokuslage in Abhängigkeit von der z-Koordinate i.A.a. Formel 2 [3]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(4)

Beim Laserpolierverfahren nach[4] wird der kreisförmige Laserstrahl mit dem Laserstrahldurchmesser dL und der Laserleistung PL mit der Scangeschwindigkeit VS und dem Spurversatz dy mäanderförmig über die zu bearbeitende Oberfläche geführt (Abbildung 3).Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 - Einflussgrößen und Verfahrensprinzip beim Laserpolieren [4]

Der Strahleneinfallswinkel ß, beschreibt den Winkel, mit dem der Laserstrahl auf die Oberfläche trifft. Generell wird das Laserpoliturverfahren unter Inertgasatmosphäre durchgeführt. Dadurch kann die Oxidation der umgeschmolzenen Oberfläche vermieden und die Temperaturabhängigkeit der Oberflächenspannung beeinflusst werden. Die Wahl der Prozessparameter ist in der Regel von dem zu bearbeitenden Werkstoff, von dem Ausgangszustand der Oberfläche und von der angestrebten Rauheit abhängig.

Die beim Laserpoliturprozess entstehende Überlappung der einzelnen Bearbeitungsbahnen wird nach DIN 32540 als Spurüberlapp bezeichnet und beschrieben. Der Spurüberlapp ist eine wichtige Einflussgröße, welcher mit folgender Formel mathematisch beschrieben wird:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(5)

Für eine prozentuale Angabe der mittleren Spurüberdeckung folgt aus Gl. 5:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(6)

Der Platzhalter dy aus Formel 8 ist der Versatz zweier Bearbeitungsspuren. dL ist der Strahldurchmesser auf der Werkstückoberfläche.

Der Strahldurchmesser dL(z) ist in folgender Formel definiert als doppelter Strahlradius w(z):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(7)

Der Parameter dy beschreibt welcher Spurversatz der Bearbeitungsspuren erreicht wurde und gibt somit den Abstand zweier Spurmittelpunkte an. Der Spurversatz dy errechnet sich mit Gl. 8:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(8)

Mit dem Strahldurchmesser dL kann nachfolgend mit Gl. 9 die Strahlfläche berechnet werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(9)

Abbildung 5 zeigt eine schematische Darstellung der verwendeten Hardware zum Pendeln mit überlagertem Vorschub. Der Laserstrahl wird mit einer Scannergeschwindigkeit VS über eine definierte Pendellänge lPendel in Bewegung gesetzt, wobei eine komplett ausgeführte Pendelbewegung der doppelten Pendellänge entspricht (2 · lPendel). Die Scannergeschwindigkeit VS wird dabei maßgeblich von der jeweils eingestellten Pendelfrequenz fPendel beeinflusst. Für die Scannergeschwindigkeit VS gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(10)

In den Vorversuchen und Hauptversuchsreihen der Parameterstudie wird sowohl mit kontinuierlicher als auch mit gepulster Laserstrahlung gearbeitet, deshalb ist der Pulsüberlapp ebenfalls eine wichtige Prozesskenngröße. Der Pulsüberlapp Pü nach DIN 32540 gibt an um wie viel % sich zwei Laserpulse überlappen. Die Prozesskenngröße wird mit folgender Formel berechnet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(11)

Für eine prozentuale Angabe der mittleren Pulsüberdeckung folgt aus Gl. 12:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(12)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 - Pulsüberdeckung/Pulsüberdeckung bei der Bearbeitung mit gepulster Laserstrahlung

Die Streckenenergie EStr lässt sich aus der eingebrachten Laserleistung PL und der Vorschubgeschwindigkeit Vs berechnen. Die Streckenenergie EStr gibt an, welche Energie auf einer bestimmten Strecke, in einer bestimmten Zeit, in das Werkstück eingebracht wurde. Gl. 13 ist nur bei kontinuierlicher Laserleistung gültig und lässt sich mit folgender Formel berechnen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(13)

Die Berechnung der Streckenenergie EStr,Puls bei gepulster Laserleistung lässt sich in Anlehnung an Gl. 13 mit Gl. 14 errechnen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(14)

Die Pulsenergie EPuls aus Gl. 15 wird über die Pulsleistung PPuls und die Pulsdauer tp mit folgender Gleichung bestimmt und kann somit in Gl. 14 eingesetzt werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(15)

Zeitliche Größen sind für eine wirtschaftliche Prozessbetrachtung von großer Bedeutung. Übertragen auf den Laserpolierprozess ist deshalb die Flächenrate FR eine wichtige und relevante Größe. Diese setzt sich wie nachfolgend zusammen aus der Bearbeitungsdauer tB, der Feldlänge lFeld und der Feldbreite bFeld und berechnet sich aus Gl. 16:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(16)

Die Gesamtbearbeitungsdauer tB berechnet sich durch den Quotienten aus Feldlänge lFeld und der Vorschubgeschwindigkeit Vs nach Gl. 17:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(17)

Als eine der Laserstrahlintensität IL übergeordnete Größe ist die Fluenz zu betrachten. Die Fluenz gibt an, welche Energie pro Fläche A in den Werkstoff eingebracht wurde. Dabei muss bei Berechnung der Fluenz, zwischen der Bearbeitung mit kontinuierlicher und gepulster Laserstrahlung unterschieden werden. Für die Fluenz bei der Bearbeitung mittels kontinuierlicher Laserstrahlung gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(18)

In Gl. 18 wird die eingebrachte Laserleistung PL über die Bearbeitungsdauer tB betrachtet, dabei wird die errechnete eingebrachte Energie auf die gesamte Bearbeitungsfläche verteilt betrachtet und berücksichtigt.

Die Gl. 19 beschreibt die Fluenz bei gepulster Laserstrahlung. Darüber hinaus ist die Anzahl der Pulse / Sekunde bzw. die Pulsfrequenz fPuls entscheidend. Dabei gilt für die Fluenz bei Bearbeitung mit gepulster Laserstrahlung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(19)

Das in Abbildung 3 visualisierte Verfahrensprinzip kann nur mit bestimmter Hardwarevoraussetzung realisiert werden. Um eine mäanderförmige Strahlführung zu erreichen, muss mindestens ein 2D-Laserscanner verwendet werden. In den Laboreinrichtungen der Hochschule Aalen kommt ein 1D-Laserscanner zum Einsatz. Dies hat wesentlichen Einfluss auf die Laserstrahlführung, welche sich von Abbildung 3 deutlich unterscheidet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5 - Verfahrensprinzip beim Laserpolieren mit einem 1D-Laserscanner [5]

Mit einem 1D-Laserscanner oszilliert der Laserstrahl quer zur Vorschubrichtung und wird mit einer bestimmten Frequenz f bei einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit über die zu bearbeitende Werksstückoberfläche geführt. Aufgrund des daraus resultierenden Zick-Zack-Kurses der in Abbildung 5 dargestellt ist, kann der Spurüberlapp Sü nicht über die gesamte Pendelbreite als konstant angenommen werden. Deshalb wird mit dem gemittelten Spurversatz der gemittelte Spurüberlapp Sü berechnet. Die Berechnungen der anderen Einflussgrößen sind mit dem mäanderförmigen Verfahrensprinzip kongruent. Das grundsätzliche Prinzip des Laserpolierens bleibt unabhängig von der verwendeten Scanneroptik identisch unterscheidet sich jedoch in seinem Umsetzungsschema. Beim Laserpolierprozess wird durch Umschmelzen einer dünnen Randschicht mittels Laserstrahlung infolge der Grenzflächenspannung eine Glättung der Oberfläche realisiert. Durch das Wirkprinzip des Umschmelzens wird beim Laserpolieren kein Material abgetragen. Vergleichbar mit konventionellen Oberflächenbearbeitungsmethoden wie z.B. Schleifen und Polieren stellt auch das Laserpolieren einen mehrstufigen Bearbeitungsprozess dar. Willenborg[6] jedoch gliedert den Laserpolierprozess in drei grundsätzliche Arten auf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6 - Die drei grundsätzlichen Arten des Laserpolierens [7]

Beim Polieren durch flächiges Abtragen mit gepulster Laserleistung Abbildung 6 (linkes Schaubild) werden topografisch hervorstehende Profilspitzen stärker abgetragen als Profiltäler. Beim Polieren durch selektives Abtragen Abbildung 6 (Schaubild mittig) werden gezielt Profilspitzen abgetragen. Aus[7] geht hervor, dass für das beim Polieren durch selektive Abtragen das Ist-Profil der Ausgangsoberfläche vermessen werden muss, um die Topografie sowie die Lage und Größe der Profilspitzen festzustellen. Um die Ausgangsoberfläche analysieren zu können, wird eine komplexe und kostenintensive Messtechnik benötigt. Beim Polieren durch Umschmelzen Abbildung 6 (rechtes Schaubild) werden die Profilspitzen in die Profiltäler umgeschmolzen. Dabei wird die Glättung der Oberfläche durch die Oberflächenspannung in der flüssigen Schmelzbadphase erzielt.

Nach der Literaturrecherche in [8], [9] und [6] kann festgehalten werden, dass in allen drei Quellen zwischen dem sogenannten Makro- und Mikropolieren unterschieden wird. Diese Unterscheidung bzw. Aufgliederung des Polierprozesses wird in den folgenden beiden Kapiteln näher untersucht und erläutert.

2.2.1 Makropolieren

Nach [8], [9] und [6] wird beim Makropolieren (siehe Abbildung 7) ein kontinuierliches und tiefes Schmelzbad und eine, relativ zu den abtragenden Verfahren, große Umschmelzzone mit einer tiefen Wärmeeinflusszone gebildet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7 - Schematische Darstellung des Makropolierprozesses [10]

Das Verfahren des Makropolierprozesses führt im Allgemeinen zu einer Glättung grober Oberflächenstrukturen, wie z.B. Dreh- und Fräsriefen oder aber auch Erodierstrukturen. Um zu verhindern, dass keine scharfkantigen Topografiestrukturen auf der Oberfläche zurückbleiben, sollte der Werkstoff bzw. die Oberfläche riss- und porenfrei aus der Schmelze erstarren. Es kann sowohl mit kontinuierlicher als auch mit gepulster Laserleistung makropoliert werden. Jedoch wird beim Makropolieren mit gepulster Laserleistung erneut zwischen Makropolieren mit kontinuierlichem oder diskontinuierlichem Schmelzbad unterschieden

Beim Makropolieren mit gepulster Laserleistung mit diskontinuierlichem Schmelzbad können die Parameter beinahe beliebig gewählt werden. Beim Makropolieren mit gepulster Laserleistung bei einem kontinuierlichen Schmelzbad ist die Pulsenergie und die Pulsfrequenz unter einem großen Pulsüberlapp so zu wählen, sodass sich ein kontinuierliches Schmelzbad zwischen den Einzelpulsen ausbilden und keine Erstarrung der Schmelzbäder innerhalb der Pulsdauer tp stattfinden kann [7].

2.2.2 Mikropolieren

Der Mikropolierprozess erfolgt ausschließlich mit gepulster Laserleistung und ist bei mehrstufigen Polierprozessen dem Makropolierprozess nachgelagert. Durch die einzelnen Laserpulse wird die zu bearbeitende Oberfläche aufgeschmolzen, wobei nach jedem Puls eine Abkühlung des Schmelzbades durch Selbstabschreckung erfolgt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8 - Schematische Darstellung des Mikropolierprozesses [10]

Durch die Abkühlung des Schmelzbades nach jedem Puls können die aufeinanderfolgenden Schmelzbäder nicht ineinanderfließen, es bildet sich wie in Abbildung 8 veranschaulicht, eine polierte Oberfläche mit linsenförmigen Strukturen aus. Um diese Strukturen weiter zu glätten wird häufig ein mehrstufiger Polierprozess gewählt, sodass die linsenförmigen Strukturen nicht mehr sichtbar sind. Beim Mikropolieren sollte der Puls- und Spurüberlapp möglichst gering gewählt werden um sicherzustellen, dass sich aufeinanderfolgende Bearbeitungsflächen einzelner Pulse nicht gegenseitig beeinflussen. Nach [10] ist ein Puls- und Spurüberlapp von ca. 20 Prozent zu wählen. Aus Abbildung 8 ist ebenfalls ersichtlich, dass beim Mikropolieren die Wärmeeinflusszone und die damit verbundene Wärmeeindringtiefe deutlich geringer ausgeprägt ist.

2.2.3 Makro- und Mikropolieren im Überblick

In der Konferenz Laserpolieren LaP 2016 in Aachen zeigte Dr. Edgar Willenborg in seiner Präsentation[11] eine Übersicht über das Makro- und Mikropolieren. In Abbildung 9 unterscheidet Willenborg das Makro- und Mikropolieren nach Einschmelztiefe, Flächenrate, Ausgangsrauheit und der erreichbaren Rauheit des Werkstoffes. Die Flächenrate stellt eine wichtige wirtschaftliche Kenngröße beim Laserpolieren dar. Aus dieser Kenngröße kann die Bearbeitungszeit eines Bauteiles errechnet werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9 - Makro- und Mikropolieren im Überblick [11]

Aufgrund der genannten Ausgangsrauheit und der zu erreichenden Rauigkeit aus Abbildung 9 wird deutlich, dass sich die Vorversuchsreihe in diesem Forschungsbericht lediglich auf das Makropolieren bezieht. Dieser Sachverhalt ist einerseits durch die für die Versuchsreihen verwendete Hardware zu begründen. Andererseits durch die noch fehlenden Polierergebnisse welche als Grundlage für das Mikropolieren dienen könnten.

In Abbildung 10 charakterisiert, unterscheidet und veranschaulicht Willenborg in seiner Präsentation[11], bereits polierte Oberflächen nach manueller Politur sowie Makro- und Mikropolitur mittels Laserstrahlung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10 - Charakterisierung polierter Oberflächen [11]

2.3 Oberflächenkennwerte

Bei Glättungsverfahren von Oberflächen eines Werkstoffes entstehen für das jeweilig verwendete Verfahren, charakteristische Oberflächentoporgaphien. Dies gilt auch für das Laserpolieren mittels Laserstrahlung. Die Qualität von Oberflächen lassen sich mit verschiedenen Messverfahren ermitteln. Anhand der daraus resultierenden Kennwerte der Oberflächenmessung kann eine Prozessoptimierung des Schleifvorgangs vorgenommen werden.

In [5 bis 8, 10, 12 bis 16] werden die Oberflächen mit den Oberflächenkennwerten Ra und Rz bewertet. Dadurch wird ein qualitativer Vergleich von Oberflächenstrukturen ermöglicht In den angegebenen Quellen wird zunächst die Ausgangsrauheit ermittelt, dann den Polierergebnissen gegenübergestellt und schließlich bewertet. In der vorliegenden Arbeit soll die Bewertung der Oberflächen ebenfalls anhand dieser Werte erfolgen.

Ra-Wert

Der Ra-Wert ist der arithmetische Mittelrauwert und entspricht dem arithmetischen Mittelwert der Beträge der Ordinatenwerte der Einzelmessstrecke lr [17, 18]. Er stellt die mittlere Abweichung des Profils von der mittleren Linie dar. Dieser Sachverhalt wird in Abbildung 11 veranschaulicht und dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11 - Bildung des arithmetischen Mittelrauwertes Ra [17]

Der arithmetische Mittelrauwert Ra wird mit Gleichung 20 berechnet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(20)

Nach[17] kann bei der Erfassung des Mittelrauwertes keine Rückschluss auf Profilspitzen und Profiltälern gezogen werden, ebenso wenig kann eine Aussage über die verschiedene Profilformen und Topographien getroffen werden (siehe Abbildung 12). Da die Definition, des arithmetischen Mittelrauwertes Ra auf einer starken Mittelwertbildung beruht, streuen die Werte nur gering und sind reproduzierbar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12 - Unterschiedliche Profile mit gleichem Mittelrauwert Ra [17]

Rz-Wert

Die gemittelte Rautiefe Rz ist die Summe aus der Höhe der größten Profilspitze und der Tiefe des größten Profiltals innerhalb einer Einzelmessstrecke lr. Der Rz-Wert ergibt sich aus der Ergebnismittelung von 5 Einzelmessstrecken. Aus[17] und[18] wird deutlich, dass der Rz-Wert empfindlicher auf die Veränderung von Oberflächenstrukturen reagiert als der Ra-Wert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 13 - Definition der Rautiefe Rz, der maximalen Einzelrautiefe Rmax und der Rautiefe Rt

Wie aus Abbildung 13 und[17] ersichtlich, entspricht die maximale Einzelrautiefe Rmax der größten Einzelrautiefe Rz. Die Rautiefe Rt ist die vertikale Differenz der tiefsten Riefe und der höchsten Spitze innerhalb der Gesamtmessstrecke. Die Berechnung des Rz-Wertes erfolgt mit Gleichung 21:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(21)

In Abbildung 13 wird ersichtlich, dass sich die genannten quantitativen Größen um den Rt-Wert erweitern. Der Rt-Wert ergibt sich aus der Höhendifferenz zwischen höchsten Punkt und dem niedrigsten Punkt innerhalb einer Messtrecke. Dieser berrechnet sich mit Gleichung 22:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(22)

Gemäß der Definition in[17] und Gl. 22 ist die mittlere Glättungstiefe Rp beinahe identisch mit der gemittelten Rautiefe. Hierbei wird ein Oberflächenprofil ebenfalls in 5 gleiche Strecken, welche der Grenzwellenlänge entsprechen, eingeteilt. Dabei wird in jedem Segment der Abstand von der Mittellinie zur höchsten Spitze (pi) genommen. Aus dem arithmetischen Mittel dieser 5 Werte ergibt sich dann die mittlere Glättungstiefe Rp, welche sich mit Gleichung 23 errechnen lässt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(23)

Die mittlere Riefentiefe Rv wird analog zu Rp gebildet. Anstatt den Spitzenhöhen (pi) werden die Riefentiefen (vi) verwendet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(24)

Grenzwellenlänge λc eines Profilfilters

Das Primärprofil einer Rauheitsmessung wird durch die Grenzwellenlänge λc in Rauheit und Welligkeit unterteilt. Diese Unterteilung erfolgt nach DIN EN 4288:1998 und DIN EN ISO 3274:1998. In den beiden DIN-Normen wird dieser Vorgang detailliert beschrieben. Dabei grenzt die Grenzwellenlänge λs die Rauheit gegenüber kürzeren Wellenlängen und die Grenzwellenlänge λf die Welligkeit gegenüber längeren Wellenlängen ab. Die Grenzwellenlängen sind je nach dem Erwartungswert des zu messenden Profils zu wählen. Bei dieser Auswahl muss zunächst zwischen periodischen und aperiodischen Profil unterschieden werden (siehe Abbildung 14). Liegt ein periodisches Profil vor, richtet sich die Auswahl der Grenzwellenlänge nach der mittleren Rillenbreite Rsm. Handelt es sich jedoch um ein aperiodisches Profil, wird die Grenzwellenlänge, nach den zu messenden Rauheitswerten Ra und Rz ausgewählt (siehe Abbildung 15).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 14 - Periodisches und aperiodisches Profil [19]

Die Gesamtmessstrecke ln sowie die Taststrecke lt ist von der gewählten Grenzwellenlänge λc einer Messung direkt abhängig. Die Gesamtmessstrecke ln ist als das 5-fache und die Taststrecke lt als das 6-fache der gewählten Grenzwellenlänge λc definiert. Generell bleibt festzuhalten, dass bei abnehmender Grenzwellenlänge λc die Amplituden des Welligkeitsprofils zu und die des gefilterten Rauheitsprofils abnehmen. Folglich werden nach [17, 19, 20] bei kürzeren Grenzwellenlängen kleinere Rauheitswerte Ra und Rz ermittelt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 15 - Zusammenhänge zwischen Grenzwellenlänge λc, Taststrecke und Messstrecke nach DIN EN ISO 4288:1998 und DIN EN ISO 3274:1998 [21]

Weitere Oberflächenkennwerte

Ergänzend sollte der Oberflächenrauwert Sa genannt werden, da dieser zunehmend in Veröffentlichungen zum Thema SLM-Bearbeitung Verwendung findet, wie aus[22] zu entnehmen ist. Denn es ist offensichtlich, dass sich ein 2D-Profil, welches entlang und quer der Polier- oder auch Aufbaurichtung aufgenommen wurde, unterschiedlich verläuft. Bei einer 3D Aufnahme eines Profils hingegen ist die ausgeprägte Ausrichtung der Oberfläche sofort erkennbar. Hierfür bildet der Sa-Wert das dreidimensionale Gegenstück zum Ra-Wert. Für die Ermittlung des Sa-Wertes wird nach DIN EN ISO 25178 die gesamte Fläche zur Berechnung herangezogen. Die Autokorrelation liefert nach [21, 23] die Basis dieser räumlichen Kenngröße des arithmetischen Mittenrauwerts Sa. Dadurch kann die Selbstähnlichkeit der Oberfläche bestimmt werden. Über die Autokorrelationslänge Sal und dem Textur-Aspekt- Verhältnis Str lässt sich feststellen ob die Oberfläche eher isotrop oder anisotrop beschaffen ist. Bei Hybriden Kenngrößen werden verschiedene Oberflächeneigenschaften in Bezug zueinander gesetzt. So kann über die Anzahl der Spitzen pro Fläche die mittlere Oberflächensteigung beschrieben werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 16 - Darstellung einer Oberfläche und daraus abgeleiteter Abbott-Kurve [21]

Aus der Flächenmaterialanteilkurve aus Abbildung 16, die der Abbott-Kurve nach DIN EN ISO 13565-2:1998-04 entspricht, können weitere Größen wie etwa die reduzierte Spitzenhöhe Spk, die Kernrauheit Sk und die reduzierte Riefentiefe Svk abgeleitet werden.

Übersicht von 2D- und 3D-Kenngrößen

In Abbildung 17 sind weitere 2D- und 3D-Kenngrößen dar- und gegenübergestellt. Dabei sind für jede Kenngröße die Bezeichnung, Abkürzungen und die dazugehörenden Normen dargestellt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 17 - Gegenüberstellung der 2D- und der 3D-Kenngrößen [21]

Zum Abschluss dieses Kapitels bleibt festzuhalten, dass sich die Vermessung der Oberflächen, der in diesem vorliegenden Forschungsbericht 1 enthaltenen Vorversuchsreihe, ausschließlich auf die 2D-Erfassung bezieht. Somit werden alle Rauheitsangaben als Ra- bzw. Rz-Wert angegeben. Für zukünftige Oberflächenerfassungen im weiteren Forschungsverlauf wäre eine dreidimensionale Vermessung wünschenswert. Jedoch muss für diese Vermessungen zuerst eine Infrastruktur geschaffen und die Hardware an die kommenden Versuchsreihen angepasst werden.

3 Stand der Wissenschaft

Im folgenden Kapitel wird auf den aktuellen Stand der Wissenschaft und speziell auf den Stand zum Laserpolieren von SLM-Stahl eingegangen. Für die Recherche werden sowohl Dissertationen, Veröffentlichungen als auch Patentbeschriften betrachtet. Die Verfahrenstechnischen Grundlagen der recherchierten Patenschriften werden entsprechend ihrer thematischen Relevanz diskutiert und erläutert.

In[6] werden ausführlich die wesentlichen Grundlagen des Laserpolierverfahrens beschrieben. Dabei wird speziell auf das Laserpolieren von metallischen Werkstoffen eingegangen. Als Untersuchungsgegenstand wurde ein Warmarbeitsstahl gewählt, wie er beispielsweise für die Herstellung von Spritzgussformen verwendet wird. Die verfahrenstechnischen Grundlagen zum Laserpolieren durch Umschmelzen werden in[6] ebenfalls detailliert behandelt. Dieses Verfahren wird hier erstmals in zwei Verfahrensvarianten aufgeteilt, das Makro- und Mikropolieren (siehe Kapitel 3.2). Die untersuchten Ausgangsoberflächen sind Erodier, Fräs- und Drehstrukturen, welche mit einer Ausgangsrauheit von Ra = 1 µm bis 4 µm angegeben werden. In[6] wird durch das Laserpolieren ein Ra < 0,2 µm erreicht, wobei festzuhalten bleibt, dass Poren und Einschlüsse im Ausgangsmaterial quantitativ und qualitativ negativen Einfluss auf das Polierergebnis haben.

In[24] (Patentschrift DE 000010342750 A1) werden für die Patentanmeldung eines Verfahrens zum Glätten, Polieren und Strukturieren von Oberflächen mittels Laserstrahlung, die in[6] erläuterten Verfahrensgrundlagen aufgegriffen. In der Patentschrift ist festgelegt, dass der Poliervorgang mittels Laserscanner-Optik mäanderförmig erfolgt. Die Bearbeitungsrichtung wird nach jedem Bearbeitungsschritt um 90° versetzt. Aus diesem patentierten Bearbeitungsverfahren gehen Parameter hervor, welche bei einem zweistufigen Polierprozess von metallischen Werkstoffen Verwendung finden. Beide Bearbeitungsschritte werden unter Verwendung kontinuierlicher als auch gepulster Laserleistung beschrieben. Durch das Laserpolieren bzw. Makropolieren im ersten Bearbeitungsschritt werden Umschmelztiefen von 500 µm erreicht, dabei werden Ausgangsrauheiten von Ra > 3 µm makropoliert. Die verwendeten Leistungen für das Makropolieren belaufen sich auf 40 W bis 4000 W, wobei die hierbei erreichte Rauheit im ersten Bearbeitungsschritt nicht aus der Patentschrift[24] (Patentschrift DE 000010342750 A1) hervor geht. Der zweite Bearbeitungsschritt hingegen wird konkret beschrieben. Aus dieser Beschreibung geht hervor, dass ausschließlich mit gepulster Laserleistung laserpoliert bzw. mikropoliert wird. Die verwendeten Pulsdauern bei diesem Bearbeitungsschritt belaufen sich auf < 100 µs. In einem nachgelagerten Arbeitsschritt wie in[24] (Patentschrift DE 000010342750 A1) beschrieben, werden mit gepulster Laserleistung und einer Pulsdauer < 5 µs die verbleibenden Mikrorauigkeiten reduziert. Die hierbei üblichen Laserleistungen liegen zwischen 5 W und 400 W oder vorzugsweise zwischen 70 W und 140 W. Mit einer Verfahrenskombination aus Abtragen und Umschmelzen werden die verbleibenden Mikrorauigkeiten beseitigt. Der in[24] (Patentschrift DE 000010342750 A1) dokumentierte und erreichbare Ra- Wert beläuft sich auf Ra < 0,05 µm. Die aufgeführten Werkstoffe sind 1.2343, 1.2767 und 1.2311. Als Laserquellen wurden ein Dioden-, Co2- und ein ND:YAG- Laser verwendet.

Im Buch „Neue Entwicklungen in der additiven Fertigung“[4] wird eine Versuchsanordnung zum Polieren von SLM-Bauteilen mit kontinuierlicher Laserstrahlung, sowie die verfahrenstechnischen Grundlagen detailliert beschrieben. Dabei werden Flachproben aus den SLM-Werkstoffen Inconel 718 und ASTM F75 für den Politurvorgang gewählt. Die Ausgangsoberflächenrauheit der verfahrensbedingten charakteristischen Oberflächenstruktur wird mit dem Bereich Ra = 10-40 µm angegeben. Aufgrund des selektiven Umschmelzens der einzelnen Pulverschichten weisen die Oberflächen der additiv gefertigten Bauteile eine große Rauheit auf. Als Laserstrahlquelle wird in[4] ein Yb:YAG Scheibenlaser TruDisk1000 der Firma Trumpf verwendet. Die maximale Laserleistung beträgt PLmax = 1 kW bei einer Wellenlänge von λ = 1030 nm. Beim Politurvorgang wird der Laserstrahl mäanderförmig über die Werkstückoberfläche geführt. Der Prozess wird unter Inertgasatmosphäre mit einem Restsauerstoffgehalt von 1000 ppm durchgeführt. Für den Werkstoff Inconel 718 wurde mit der Anzahl der Überfahrten n = 2 und einer Scangeschwindigkeit Vs = 350 mm/s, einer Laserleistung PL = 650 W, bei einem Fokusdurchmesser dL = 600 µm und einem Spurversatz dy = 50 µm das beste Ergebnis, mit einem Ra-Wert von Ra = 0,2 µm erzielt. Beim Werkstoff ASTM F75 wurde die maximale Rauheitsreduzierung auf Ra = 0,27 µm mit der Parameterkombination Vs = 200 mm/s, PL = 200 W, dL = 400 µm, dy = 50 µm und n = 8 erzielt. Im Gegensatz zum Werkstoff Inconel 718 kann die Oberflächenrauheit beim Werkstoff ASTM F75 durch mehrere Überfahrten weiter verkleinert werden. Um eine differenzierte Analyse der Oberflächenrauheit bzw. Oberflächentopografie vornehmen zu können, wird in[4] auf die spektrale Rauheitsanalyse zurückgegriffen. Diese Analyse basiert auf den Datensätzen der Weißlichtinterferometrie oder der Fokusvariation. Durch Verwendung eines phasenkorrekten Profilfilters wird das dreidimensionale Oberflächenprofil (Oberflächentopografie) wellenlängenartig zerlegt und anschließend der Mittelrauheitswert Ra für die jeweiligen Wellenlängenbereiche berechnet. Die Scanrichtung der Laserpolitur bei dem in[4] beschriebenen Versuchsaufbau verläuft senkrecht zur Aufbaurichtung des SLM-Bauteils. Die Partikeldurchmesser des jeweiligen SLM-Pulvers sind aus[4] nicht zu entnehmen.

Der in[5] beschriebene Sachverhalt, setzt sich mit dem Poliervorgang des SLM-Werkstoffes AlSi10Mg auseinander und beschreibt den Versuchsaufbau sowie die daraus gewonnenen Erkenntnisse. Zunächst wird das additive Fertigungsverfahren des selektiven Laserschmelzens genauer erläutert und Vorteile des Verfahrens aufgezeigt. Die in der Studie verwendeten Flachproben mit den Abmaßen von 100·30·2 mm3 wurden auf der Maschine SLM 280HL generiert. Die Partikeldurchmesser des Ausgangsmaterials betragen durchschnittlich 37 µm. Der Verlauf der Aufbaurichtung der Flachproben wird in vertikaler Richtung angegeben. Als Ausgangsrauheit der erzeugten SLM-Bauteile wird ein Ra-Wert von Ra = 8,7 µm angegeben. Für den Polierprozess wird ein fasergeführter TruDisk 4002 der Firma Trumpf mit einer maximalen Leistung von 4000 W verwendet. Die Strahlenqualität des Lasers wird mit 8 mm·mrad angegeben. Die maximale Pendelfrequenz beläuft sich auf 1000 Hz. Bei dem in[5] beschriebenen Versuchsaufbau wird der Laserstrahl durch einen eindimensionalen Laserscanner über das Werkstück geführt. Der Polierprozess wird in[5] in einer Prozesskammer durchgeführt, welche mit dem Inertgas Argon bis auf einen Restsauerstoffgehalt von 40 ppm befüllt wird. Sowohl der Polierprozess als auch die taktilen Messungen wurden in SLM-Aufbaurichtung durchgeführt. Die Erfassung der Rauheitskennwerte wurden nach DIN EN ISO 4288 unter Verwendung eines taktilen Rauheitsmessgerätes (MarSurf M 400, Mahr GmbH, Göttingen, Deutschland) durchgeführt. In[5] konnte mit der Laserleistung PL = 1700 W, bei einem Fokusdurchmesser von dL = 1000 µm, mit der Vorschubgeschwindigkeit VS = 40 mm/min, einem durchschnittlichen Spurüberlapp von 80% und einer Pendelfrequenz von 10 Hz das beste Politurergebnis erzielt werden. Unter Verwendung dieser Parameter konnte die Ausgangsrauheit von Ra = 8,7 µm auf Ra = 0,66 µm gesenkt werden, was einer Reduktion der Rauheit von ca. 92% entspricht.

In[25] wird die anwendungsorientierte Entwicklung des Direkten Selektiven Laser Sinterns von einkomponentigen metallischen Werkstoffen vorgestellt. Dabei werden die Prozessgrundlagen sowie der Aufbau einer Prototypenanlage bis hin zur Anwendungserprobung erläutert. Dabei wird in[25] die Herstellung metallischer Bauteile mit serienidentischen Werkstoffen wie z.B Edelstahl 1.4404 oder Warmarbeitsstähle wie 1.2343 beschrieben. Das in[25] dokumentierte Verfahrensprinzip des Selektiven Laser Sinterns ohne Zusatz eines Binders und ohne Folgeprozesse entspricht im Wesentlichen dem Selektiven Laser Schmelzen, da das Pulver in der Wechselwirkungszone, entgegen der herkömmlichen Vorgehensweise beim SLS, vollständig aufgeschmolzen wird. Somit lassen sich hohe Bauteildichten von ca. 100 % erreichen. Im weiteren Verlauf werden in[25] die zur Erzeugung und Kontrolle des Schmelzbades entscheidenden Einflussgrößen wie Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Schichtdicke, Spurabstand, Pulverkornfraktion, Scanvektorlänge und Schutzgasführung erarbeitet und beschrieben. Die Einflüsse dieser Parameter werden in[25] herausgearbeitet. Die Erkenntnisse zeigen, dass die Bauteildichte mit zunehmender Laserleistung, abnehmender Scangeschwindigkeit, geringer werdender Schichtdicke und kleinerer Pulverkornfraktion gesteigert werden kann. Aus[25] ist ebenfalls zu entnehmen, dass der geeignete Spurabstand vom Strahldurchmesser abhängig ist und in der Regel auf Dys ≈ 0,7 · ds eingestellt wird d.h., der Spurabstand Dys errechnet sich aus dem Produkt von Strahldurchmesser ds multipliziert mit dem Faktor 0,7. Um die Dichte des Bauteiles zu erhöhen, wird die Scanvektorlänge auf L < 10 mm begrenzt. Die Schutzgasführung in einer gerichteten Strömung über die Wechselwirkungszone bewirkt ebenfalls eine erhöhte Bauteildichte, im Vergleich zu einer Schutzgasatmosphäre ohne Strömung. Die Maßgenauigkeit der SLM-Bauteile wird in[25] mit ca. 0,1 mm angegeben. Es wird verdeutlicht, dass die Oberflächenqualität der Bauteile von der Pulverkornfraktion und der Schichtdicke abhängig sind. Bei einer Schichtdicke von 0,05 mm und einer Pulverkornfraktion von 10-30 µm kann eine Oberflächenqualität von Rz ≈ 70 µm an senkrechten Wänden erreicht werden. Der Ra-Wert der Oberflächenrauheit ist aus[25] nicht zu entnehmen. Abschließend werden Zugversuche an SLM bzw. SLS- Bauteilen durchgeführt und diskutiert. Dabei kann festgehalten werden, dass die Festigkeit der Bauteile im Bereich der Werkstoffspezifikationen liegen. Die Härte der Bauteile liegt jedoch nach dem Verfahren über der Grundhärte des verwendeten Ausgangswerkstoffes.

Die Veröffentlichung der Studie in[26] beschreibt eine experimentelle Untersuchung des Laserpolierverfahrens auf additiv gefertigten Bauteilen. Einleitend werden die Vorteile des additiven SLM-Fertigungsverfahren aufgeführt. Durch das additive Fertigungsverfahren ist es möglich, komplexe Metallbauteile zu generieren, welche durch herkömmliche Herstellungsverfahren nicht erzeugt werden können. Als Nachteil wird in[26] die verhältnismäßig schlechte Ausgangsrauheit der generierten Bauteile angeführt, ein genauer Wert der Ausgangsrauheit wird dabei nicht angegeben. Als weiterer Nachteil, wird bei komplexen Geometrien der Bauteile, die schwierige oder gar unzugängliche Oberflächenbearbeitung der additiv gefertigten Bauteile genannt. Die Handpolitur von Bauteilen ist sehr zeitaufwändig und stellt für die Polierer ein Gesundheitsrisiko dar. Durch elektrochemische Politurverfahren kann die Umwelt belastet werden. Diese Problematiken werden in[26] als Anlass genommen das Laserpoliturverfahren zu untersuchen. Beim Laserpoliturverfahren wird eine Verringerung der Rauheit durch das Umschmelzen der topografischen Oberflächenspitzen mit einem Laserstrahl realisiert. Die Qualität der Laserpolitur ist dabei maßgeblich von der Wahl der Betriebsparameter abhängig. Für die Parameterstudie in[26] werden Bauteile mit vertikaler und flacher Aufbaurichtung verwendet. Um die Oxidationsbildung zu vermeiden, wird mit dem Schutzgas Argon gearbeitet. Beim SLM-Herstellungsprozess der Bauteile kommt ein Metallpulver mit einem Partikeldurchmesser von 45-90 µm zum Einsatz. Die genau Bezeichnung des verwendeten Werkstoffes wird in[26] AlSl 316L angegeben. Der Politurprozess wird mit einem Faserlaser bei einer Laserleistung von 800 W, einer Wellenlänge von 1070 nm und einem Spotdurchmesser von 0,8 mm durchgeführt. Die in der Parameterstudie abgefahrenen Testfelder haben eine Größe von 7 · 30 mm. Was an dieser Parameterstudie als auffällig festzuhalten gilt ist, dass sich bei einer Versuchsreihe mit einer Laserleistung von 210 W, einer Vorschubgeschwindigkeit Vf = 3000 mm/min und einem Überlapp von 60% bei einfacher Überfahrt, Materialtropfen und Mikrorisse bildeten. Insgesamt variierten die Anzahlen der Überfahrten bei den Versuchsreihen zwischen n = 1-5. In[26] wird verdeutlicht das sich die Oberflächenqualität mit steigender Anzahl an Überfahrten verbessern lässt. Bei n = 5 konnte die Ausgangsrauheit von Sa = 21 µm auf Sa = 0,79 µm verringert werden, was einer Reduktion der Rauheit von 96 % entspricht. Für die Erfassung der Rauheitskennwerte wurde das Mikrokoordinatenmesssystem InfiniteFocus der Firma Alicona verwendet.

Die Studie in[27] setzt sich mit dem SLM-Aufbauprozess und der Oberflächenbearbeitung durch Umschmelzen auseinander. Als Besonderheit gilt es zu erwähnen, dass diese Prozesse auf einer Maschine umgesetzt werden und somit beide Prozesse zu einem Prozess zusammengefasst werden können. Dabei wird nach jeder Aufbauschicht erneut gescannt und der Werkstoff umgeschmolzen. In[27] wird für die Studie die Maschine Concept Laser M3 Linear verwendet, in welcher ein diodengepumpter Nd:YAG Laser verbaut ist. Als Werkstoff wird in[27] AlSI 316L Stahl verwendet. Aus[27] geht hervor, dass durch die direkte Prozesskombination sich die Eigenspannung der generierten Bauteils um ca. 55 % verringern lässt, dadurch ist dieses Verfahren für den Aufbau additiv gefertigter Bauteile mit anschließender Oberflächenmodifikation geeignet. Ebenfalls kann die Härte, das Reib- und Verschleißverhalten der Oberflächen in Abhängigkeit der Parameterkombination beeinflusst werden. Mit einer Laserleistung von 60-105 W, einer Scangeschwindigkeit von 50-800 mm/s wurde in[27] vorpoliert. Anschließend wurde die Scanrichtung um 90° gedreht und mit einer Laserleistung von 95 W und einer Scangeschwindigkeit von 200 mm/s nachgeglättet. Dabei konnte die Ausgangsrauheit von Ra = 12 µm auf Ra = 1,5 µm gesenkt werden. Die entspricht einer Reduktion der Rauheit um 90 %. Außerdem wurde in[27] mit den oben genannten Parametern mit Neigungswinkel von 10° und 30° experimentiert, um den Einfluss des Treppeneffektes zu untersuchen. So konnte bei einem Neigungswinkel von 30° eine Reduktion der Rauheit von 50% und bei einem Neigungswinkel von 10° eine Reduktion der Rauheit von 75% erzielt werden.

4 Experimenteller Aufbau

In diesem Kapitel wird im Wesentlichen auf den experimentellen Aufbau, die Messmethoden sowie auf die Vorbereitung bzw. Vorbehandlung der Proben eingegangen und erläutert.

4.1 Generierung der Versuchsproben

Im folgenden Kapitel wird auf den verwendeten Werkstoff, die Herstellung der SLM-Bauteile, deren Geometrie und Aufbauorientierung eingegangen. Schwerpunktmäßig wird in diesem Kapitel das Hauptaugenmerk auf die Geometrie sowie die Aufbauorientierung gelegt, da diese sowohl für die Vorversuchsreihen des Forschungsberichtes 2 als auch für weiterführenden Forschungsunternehmungen von erheblicher Bedeutung sind.

4.1.1 Verwendeter Werkstoff SLM-Pulver 1.4404

Tabelle 1 - Technisches Datenblatt Stahlpulver 1.4404[28]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In Tabelle 1 sind ist die Korngröße, Legierungsanteile und die Dichte des verwendeten Werkstoffes angegeben. Die Auflistung der detaillierten Werkstoffeigenschaften ist im Anhang zu finden.

4.1.2 Technische Daten der verwendeten SLM-Maschine

Für den SLM-Aufbau der Versuchsproben wurde die Maschine SLM® 280 HL aus Abbildung 18 verwendet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 18 - Maschine SLM® 280 HL

In Tabelle 2 sind die technischen Daten der Maschine SLM® 280 HL aufgelistet.

Tabelle 2 - Technische Daten der Maschine SLM® 280 HL

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4.1.3 Herstellungsprozess der SLM-Proben

Für den Herstellungsprozess der SLM-Proben werden die Daten für die Führung des Laserstrahls aus einem 3D-CAD-Körper mittels Software erzeugt. Im ersten Berechnungsschritt wird das Bauteil in einzelne Schichten unterteilt. Im zweiten Berechnungsschritt werden für jede Schicht die Vektoren erzeugt, die der Laserstrahl abfährt. Um die Kontaminierung des Werkstoffs mit Sauerstoff zu vermeiden, findet der Prozess unter Schutzgasatmosphäre mit Argon oder Stickstoff statt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 19 - Arbeitskammer der Maschine SLM® 280 HL

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