Rosswag ansys: Materialqualifizierung im Eiltempo

Verfügbarkeit an Werkstoffen: Nur ein Bruchteil an kommerziell nutzbaren Metallwerkstoffen ist für den SLM®-Prozess verfügbar. Schnelle Entwicklungs- und Qualifizierungsprozesse sind gefordert und die Optimierung der Werkstoffeigenschaften für den Einsatz im SLM®-Prozess notwendig. Denn: Der Mehrwert liegt auch im Material – nicht nur im Bauteil.

Die Rosswag GmbH zählt mit über 400 unterschiedlichen Werkstofflegierungen und einem über 6.000 t umfassenden Lager als Weltmarktführer hinsichtlich der Materialvielfalt im Schmiedebereich. Konsequenterweise treibt das auch Rosswag Engineering an, die Anzahl an verfügbaren und qualifizierten Werkstoffen im Bereich der Additiven Fertigung auf Basis von Kundenbedarfen zu erhöhen. Dadurch werden noch offene Entwicklungspotenziale ausgeschöpft beziehungsweise erst erschlossen. Wo es für konventionelle Verfahren tausende unterschiedliche Legierungen gibt, stehen für den SLM®-Prozess bisher lediglich eine Handvoll Standardlegierungen bereit.

Rosswag Engineering wird als kompetenter Entwicklungspartner mit Kundenanforderungen konfrontiert und bietet anschließend über die firmeninterne und ganzheitliche Prozesskette individuelle Lösungen an. So werden meist komplexe Werkstoff- und Prozesslösungen für additive Fertigungsprozesse im Pulverbettverfahren gefordert, welche derzeit noch nicht existieren und auch selten oder unvollständig im wissenschaftlichen Umfeld vorhanden sind.

Vorgehensweise: Variation der Einflussfaktoren, Metallographische Analysen / Erprobung, Anpassung der Parameter

Kürzeste Durchlaufzeiten

Zusätzlich ist ein großes Augenmerk auf die zur Verfügung stehende Zeitschiene bei solchen Materialqualifizierungsprojekten zu legen. Die wenigsten Anwender möchten dutzende Wochen warten, bis der dringend benötigte Werkstoff zum ersten Mal zu Metallpulver verdüst wurde. Auch nachfolgende Parameterstudien und werkstoffwissenschaftliche Auswertungen können mehrere Wochen oder Monate in Anspruch nehmen. Rosswag Engineering hat es sich zum Ziel gesetzt, die gesamte Qualifizierungskette innerhalb von wenigen Wochen zu durchlaufen. Teilweise wurden dabei schon Durchlaufzeiten unterhalb von drei Wochen realisiert. Damit können innerhalb kürzester Zeit auf Basis von experimentellen Ergebnissen Entscheidungen getroffen werden, ob die geplante Vorgehensweise zielführend ist und somit effektiv Time-to-Market Zyklen bei den Endkunden beschleunigt werden.

Pulverprüfung und Einflussfaktoren: Partikelgrößenverteilung und Spherizität analysieren, Fließfähigkeit und Schüttdichte, chemische Vollanalyse (inkl. C, ONH und S), Feuchtigkeitsbestimmung.

Eigene Verdüsung macht es möglich

Rosswag selbst betreibt seit Ende 2017 eine AU 3000 Verdüsungsanlage der Blue Power GmbH, die speziell im Hinblick auf häufige Materialwechsel und hohe Reinheit für die Herstellung kleiner Mengen Sondermetallpulver (< 50 kg) entwickelt wurde. Eine Kleinmenge von 10 kg Sondermetallpulver kann, sobald das Rohmaterial verfügbar ist oder im Schmelztiegel individuell zulegiert wird, innerhalb eines Arbeitstages hergestellt und für den SLM-Prozess durch Sieben und Sichten aufbereitet werden. Partikelgrößenverteilung, Partikelform, Fließfähigkeit und andere relevante Parameter werden vor der Verwendung der Metallpulver in den SLM-Anlagen überprüft. Diese Kleinmenge Metallpulver reicht für initiale Parameterstudien auf den SLM-Anlagen aus. Die Prozessparameter werden derzeit noch auf Basis der Erfahrungswerte in einem geeigneten Prozessfenster variiert. Zukünftig wird Rosswag jedoch auch auf Prozesssimulationen von Ansys zurückgreifen können, wodurch die Effektivität bei der Ermittlung geeigneter Prozessparameter weiter gesteigert wird.

Optimierung für SLM-Anwendungen: Close-Coupled-Verdüsung mit Heißgas, Hohe Ausbringungsrate durch enge Partikelgrößenverteilung im SLM-fähigen Bereich, Geringe Satellitenbildung für höchste Qualitätseigenschaften, Modulares Konzept für die wirtschaftliche Herstellung von kleinen Mengen Sondermetallpulver.

Umfangreiche Werkstoffprüfung

Die so hergestellten Probekörper, meist Schliffwürfel und Flachzugproben, werden anschließend im Rosswag Werkstofflabor umfangreich analysiert und erprobt. Dazu wurde das Labor erst im vergangenen Jahr neu und umfangreich ausgestattet. So ist nun auch die chemische Vollanalyse, inklusive CS/ONH-Analyse, mit Geräten von Bruker möglich. Neben den Untersuchungen von Porosität und Gefügestruktur in geätzten Mikroschliffen unter dem Stereomikroskop sind somit auch Abweichungen in der chemischen Zusammensetzung über die gesamte Prozesskette hinweg gegenüber dem eingesetzten Rohmaterial detektierbar. Diese Ergebnisse können in weiteren Entwicklungsiterationen dann mögliche Legierungsanpassungen vor der Metallpulverherstellung zur Folge haben, um gezielt beeinflusste Legierungszusammensetzungen im additiv hergestellten Bauteil am Ende der Prozesskette zu erhalten. Dies führt dann in Verbindung mit geeigneten Wärmebehandlungen zu den gewünschten Werkstoffeigenschaften.

Partikelgrößenverteilung 1.3343

Komplette Dokumentation

Am Ende des Qualifizierungsprozesses liegen somit umfangreiche Datensätze vor, welche sich aus Metallpulvereigenschaften, SLM-Prozessparametern und mechanisch-technologischen, chemischen bzw. metallographischen Werkstoffeigenschaften der zu untersuchenden Materialien zusammensetzen. Diese dienen dann beispielsweise als Grundlage für weitere Optimierungsiterationen, um beispielsweise die Legierung weiter anzupassen. Es können jedoch auch auf Basis der ersten Qualifizierungsiteration Abbruchkriterien zur Geltung kommen, welche beispielsweise zu einer Neuausrichtung des Entwicklungsprojektes führen. Der Vorteil ist dann, dass bis zu diesem Zeitpunkt durch die sehr schnellen und effektiven Prozesse bei Rosswag nur verhältnismäßig wenig Zeit und Geld investiert werden musste.

Ganzheitliche Prozessbegleitung

Im Idealfall führen initiale Materialqualifizierungsprozesse bei Rosswag zu guten Ergebnissen, auf deren Basis dann auch ganzheitliche Prozessketten für die Herstellung und Bearbeitung der additiv gefertigten Bauteile qualifiziert werden können. Rosswag bietet den Kunden durch umfangreiche Simulations- und CAD-Tools, die firmeninterne Wärmebehandlung, dutzende CNC-Bearbeitungszentren sowie die umfangreiche Mess- und Prüfperipherie alle Möglichkeiten, um auch die Bauteilherstellung vom Prototyp bis zur Serie zu begleiten. Diese weltweit einzigartige Vielfalt an Prozessen bei Rosswag für die Qualifizierung und Herstellung von Metallpulvern und AM-Bauteilen mit höchster Effizienz und Flexibilität führt zu weiterer Akzeptanz und Verbreitung der gesamten additiven Fertigungstechnologie.