Technologievorhaben
VeriPulMikro
Gesamtziel:
Verifizierung des Pulvereinflusses auf Bauteileigenschaften bei additiven Prozessen im Mikrobereich
Partner: 
Laufzeit: 01.09.2019 - 31.08.2021
Gesamtziel
Im Rahmen des Technologievorhabens „Verifizierung des Pulvereinflusses auf Bauteileigenschaften bei additiven Prozessen im Mikrobereich (VeriPulMikro)“ sollen für Mikropulver mit einem Durchmesser < 10 µm und < 5 µm eine Spezifikation und standardisierte Qualitätssicherung zur defektfreien Verarbeitung mittels Lasermikrosintern erarbeitet werden. Zurzeit gibt es keine veröffentlichten Normen und damit keine Standards bezüglich der Anforderungen an Mikropulvereigenschaften für die additive Verarbeitung. Die Qualitätssicherung und Spezifikation von Mikropulver ermöglicht den Eintritt in neue Märkte, zum Beispiel der Dental- und Medizintechnik sowie der Mikrowärmeübertragung. Die Innovation besteht darin, den Einfluss der Pulverqualität auf die resultierenden Bauteileigenschaften nachzuweisen und im Umkehrschluss spezifische Anforderungen an Mikropulver zu stellen. Durch den Einsatz additiver Verfahren zur Herstellung von Mikrobauteilen können bislang nicht realisierbare Funktionen und Eigenschaften integriert werden.
Schematischer Projektaufbau
Arbeitspaket 1 und 2:
Der Pulverhersteller Heraeus wird im Projekt Mikropulver gemäß den Anforderungen des Laserinstituts der Hochschule Mittweida (LHM) bereitstellen. Das Mikropulver wird vom Fraunhofer IWS und von Heraeus umfassend qualitativ und quantitativ analysiert.
Abbildung 1: REM-Aufnahme eines Pulvers zur Charakterisierung der Pulvermorpholgie, wie z.B. Sphärizität.
Abbildung 2: Siebanalyse zur Charakterisierung der Partikelgrößenverteilung. Aufgrund der Gefährdung durch den kleinen Partikeldurchmesser beim Mikropulver finden alle Analysen unter dem Abzug und mit Atemschutz statt.
Arbeitspaket 3:
Die Rakelfähigkeit von Mikropulvern wird an einem Teststand von Heraeus und mit Hilfe eines neuen Kreuzrakelsystems von der Hochschule Mittweida untersucht und ausgewertet. Dadurch soll der Schichtauftrag für das Lasermikrosintern optimiert werden.
Arbeitspaket 4 und 5:
Anschließend werden Teststrukturen generiert. Die resultierende Bauteilqualität bezüglich der Dichte, Rauheit und mechanischer Eigenschaften werden analysiert und mit den Ergebnissen aus der Pulveranalyse verknüpft. Für die spätere Anwendung im Bereich Wärmeübertragung oder Dental-/ Medizintechnik sollen auch optimierte Parametersets für dünne gasdichte Wände entwickelt werden.
Abbildung 3: Analyse fertiger Bauteile: Hier ein Querschliff durch ein gedrucktes Bauteil, zur Bestimmung der Dichte. Die schwarzen Punkte sind Poren, die abhängig von Pulver und Druckparameter sind.
Angestrebter Lösungsansatz
Gezielte Herstellung von Mikropulvern
Bisher wird Mikropulver als Abfallprodukt aus Verdüsungsprozessen für Pulverpartikel > 10 µm gewonnen. Daraus resultieren Schwankungen in der Qualität, welche die Rakelfähigkeit und Bauteilqualität negativ beeinflussen. Durch eine gezielte Herstellung von Mikropulver im Rahmen des Projektes sollen diese Qualitätsschwankungen vermieden werden. Es werden verschiedene Prozesse evaluiert und versucht, die Spezifikationen von LHM mit einzelnen Verfahren einzuhalten bzw. zu erreichen. Ziel ist neben einer spezifizierten Pulverqualität auch eine wirtschaftliche Herstellung.
Erstellung Qualitätssicherungsroutine für Mikropulver
Unter Einbeziehung von Untersuchungsmethoden für die Morphologie, Rheologie und den chemischen Eigenschaften von Mikropulver soll im Projekt eine standardisierte Qualitätssicherungsroutine erstellt werden. Das ermöglicht eine schnelle und wirtschaftliche Pulvercharakterisierung sowohl für den Pulverhersteller als auch für den Anwender. Zurzeit gibt es dazu noch keine Normung/Standardisierung. Die Erkenntnisse aus dem Projekt sollen in Normungsgremien getragen werden. Heraeus ist bereits in mehreren Normungsausschüssen vertreten.
Übersicht der wichtigsten Pulvercharakterisierungsmethoden
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Pulvereigenschaften |
Charakterisierungsmethoden |
| Morphologie |
• Rasterelektronenmikroskopie (REM) |
Partikelgrößenverteilung (PSD) |
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Chemische Eigenschaften |
Oberflächenanalyse-Methoden:
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Erweiterung Systemtechnik
Bei den pulverbettbasierten additiven Verfahren erfolgt vor jeder Belichtung ein Schichtauftrag. Nur eine gleichmäßige Beschichtung ermöglicht eine optimale Belichtung mittels Laser oder anderer Energiequellen. Bei Mikropulvern finden Aufladungen/Anhaftungen statt, die einen gesonderten Auftragsmechanismus erfordern. Das LHM hat bereits umfangreiche Untersuchungen zur Rakelfähigkeit von Mikropulvern durchgeführt und ein Rakelsystem konzipiert, welches eine gleichmäßige Beschichtung gewährleisten soll. Im Rahmen des Projektes soll dieses Rakelsystem in die bestehende Anlage integriert werden, da vor allem der Pulvereinfluss auf die Bauteileigenschaften untersucht werden soll. Damit sind eine Minimierung der Einflüsse durch den Rakelprozess erforderlich.
Spezifikation von Mikropulver für die additive Fertigung
Durch eine statistische Auswertung von Pulver- und Bauteileigenschaften sollen quantitative Zusammenhänge erarbeitet werden, um daraus eine Spezifikation für Mikropulver abzuleiten.
Potentiale
Die Resultate aus dem VeriPulMikro-Projekt werden erstmals Vorhersagen über die Herstellmöglichkeiten von Mikropulvern und deren Verarbeitbarkeit in 3D Druckern erlauben. Dies verleiht der Technologie in den oben genannten Märkten deutlichen Aufschwung und erschließt neue Märkte aufgrund von nun reproduzierbar druckbaren Mikrobauteilen. An diesem Aufschwung und den neuen Marktpotentialen kann Heraeus, als Material- und Technologiekonzern, direkt partizipieren.
Das LHM hat durch die Untersuchung der Einflüsse der Pulvereigenschaften auf den Rakelprozess die Möglichkeit, weitere Erkenntnisse zur Verbesserung des Pulverauftrages zu gewinnen, die in die Weiterentwicklung von Rakelsystemen eingehen. Damit lassen sich Machbarkeitsstudien zur Herstellung von Mikrobauteilen mit schwer rakelbaren Pulvern durchführen, wodurch neue Anwendungsgebiete erschlossen werden.
Das IWS wird die Erkenntnisse auf das Laser-Mikropulver-Auftragschweißen übertragen und dahingehend weitere Spezifikationen erarbeiten können.