Fehlerklassen in SLS/ SLM-gefertigten AM Bauteilen und deren Einfluss

Was Sie hier erwartet:

1. EINLEITUNG
2. FEHLERKLASSEN IN SLS UND SLM BAUTEILEN UND WIE SIE ENTSTEHEN
3. MÖGLICHE VERFAHREN DER DICHTEBESTIMMUNG & DEREN EINSATZ IM BEREICH FEHLERDETEKTION
4. FAZIT

Einleitung

Die Dichtebestimmung von Materialien ist ein wesentlicher Aspekt in der Materialwissenschaft und Fertigungstechnik. Dabei stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, die jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. In diesem Artikel, der auf die Erkenntnisse einer Untersuchung des Fraunhofer Instituts zurückgreift, konzentrieren wir uns auf die Möglichkeit der Defektdetektion der einzelnen Verfahren.

Die additive Fertigung (AM) hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht, insbesondere im Bereich des selektiven Lasersinterns (SLS) und des selektiven Laserschmelzens (selective laser melting, SLM). Wie bei jeder Fertigungsmethode können jedoch auch bei additiv gefertigten Bauteilen Fehler auftreten. Diese Fehler können die Qualität und Funktionalität des Endprodukts beeinflussen. Daher ist es wichtig, diese Fehler zu identifizieren und zu klassifizieren.

Fehlerklassen in SLS und SLM Bauteilen und wie sie entstehen

Poren:

Poren sind kleine, oft mikroskopische Hohlräume oder Lücken innerhalb eines Materials. In Bezug auf die additive Fertigung, insbesondere bei SLS- und SLM-Prozessen, beziehen sich Poren auf die unverschmolzenen Bereiche oder Lücken, die während des Fertigungsprozesses im Bauteil entstehen können. Die Bildung von Poren in einem AM-Prozess kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden. Wenn das Pulvermaterial während des Prozesses nicht vollständig durch den Laser verschmolzen wird, können sogenannte Lack of Fusion Poren entstehen. Dies kann durch eine unzureichende Laserenergie oder eine zu schnelle Scan-Geschwindigkeit verursacht werden. Ein weiterer Grund sind thermische Spannungen. Während des Fertigungsprozesses wird das Material wiederholt erhitzt und abgekühlt. Diese Temperaturschwankungen können zu thermischen Spannungen führen, die zur Bildung von Poren beitragen können. Gasporen hingegen entstehen durch zu hohen Energieeintrag, was Teile des Materials verdampfen lässt und somit Gas einschließt.

Entscheidend ist auch die Pulverqualität bei der Porenbildung in additiv gefertigten Bauteilen. Die Qualität und Konsistenz des verwendeten Pulvers spielt eine entscheidende Rolle. Wenn das Pulver Verunreinigungen enthält oder die Partikelgröße nicht gleichmäßig ist, kann dies zu einer ungleichmäßigen Verschmelzung und somit zur Porenbildung führen.

Verformungen:

Verformungen bezeichnen ungewollte Abweichungen von der ursprünglich beabsichtigten Geometrie eines Bauteils. Dies kann sich in Form von Verziehen, Schrumpfen oder Ausdehnungen manifestieren. Bei SLS und SLM-Prozessen können solche Verformungen durch verschiedene Faktoren während des Fertigungsprozesses entstehen. Aufgrund von Temperaturunterschieden während des Sinterns können sich die Bauteile verziehen. Verformungen und Porenbildung sind oft miteinander verknüpft, da beide durch ähnliche Prozessparameter und -bedingungen begünstigt werden.

So können thermische Spannungen nicht nur der Porenbildung zuträglich sein, sondern bedingen häufig auf Spannungen, die ungewollte Verformungen verursachen. Dieses Verhalten lässt sich auch bei unzureichender Verschmelzung des Ausgangsmaterials feststellen.

Entscheidend für die Bildung von Verformungsfehlern ist jedoch auch die Abkühlrate. Eine zu schnelle Abkühlung des Materials kann zu ungleichmäßigen Schrumpfungsverhalten führen, was Verformungen verursacht. Diese ungleichmäßige Abkühlung kann auch Poren verursachen, da Bereiche des Materials unterschiedlich schrumpfen und sich voneinander trennen können.

Verformungen und Porenbildung in SLS-gefertigten AM Bauteilen sind eng miteinander verbunden und können die Qualität und Leistung des Endprodukts erheblich beeinflussen.

Risse:

Risse sind Brüche oder Trennungen in einem Material, die oft durch mechanische oder thermische Spannungen verursacht werden. Diese können durch Spannungen im Material während des Abkühlens entstehen. Bei SLS- und SLM-Prozessen, können Risse ein ernsthaftes Qualitätsproblem darstellen, da sie die mechanischen Eigenschaften und die Integrität des Bauteils beeinträchtigen können.

Auch bei der Rissbildung sind thermische Spannungen und unzureichende Verschmelzungen die Hauptursache. Insbesondere die dadurch entstehenden Materialfehler begünstigen die Bildung von Rissen. Verunreinigungen oder Defekte im Ausgangsmaterial können als Keimstellen für Risse dienen. Diese Risse können sich während des Prozesses oder erst bei der späteren Anwendung der Bauteile weiter ausbreiten, insbesondere wenn sie thermischen oder mechanischen Spannungen ausgesetzt sind.

In seltenen Fällen kann Überhitzung die Bildung von Rissen begünstigen. Wenn der Laser zu lange auf einen bestimmten Bereich des Pulvers gerichtet ist, kann dies zu einer Überhitzung führen. Dies kann zu einer Änderung der Mikrostruktur des Materials führen und Risse verursachen.

Baufehler in SLS-gefertigten AM Bauteilen können die Qualität und Leistung des Endprodukts erheblich beeinträchtigen. Daher ist es wichtig, den Prozess sorgfältig zu überwachen und zu steuern, um deren Bildung zu minimieren. Die Prozesskontrolle in der Fertigung kann durch den Einsatz der Dichtebestimmung erfolgen, da die Dichte Aufschluss über die mechanischen Eigenschaften eines Bauteils gibt.

Mögliche Verfahren der Dichtebestimmung & deren Einsatz im Bereich Fehlerdetektion

Archimedes manuell:

Dieses Verfahren misst die Dichte des Bauteils, indem es in zwei verschiedenen Fluiden gewogen wird. Poren und andere Fehler können die Dichte beeinflussen, d.h. eine Abweichung von der theoretischen Dichte kann Aufschlüsse über die Porosität eines Bauteils geben. Konkrete Aussagen über Ort und Art des Fehlers können jedoch nicht getroffen werden. Das archimedische Verfahren gilt als eines der genauesten für die Dichtebestimmung, ist jedoch stark abhängig von der Ausführung. Der menschliche Einfluss kann für ungenaue Ergebnisse sorgen und somit falsche Schlüsse für die Produktion bedeuten.

CT-Scans:

Mit Hilfe von Röntgenstrahlen können innere Strukturen des Bauteils visualisiert werden, was besonders nützlich ist, um interne Fehler zu identifizieren. Mit dem Einsatz eines CT-Gerätes bekommt man einen sehr guten Einblick in das „Innere“ des Bauteils. Fehler können erkannt und Rückschlüsse auf den Fertigungsprozess gezogen werden. Nachteile bei diesem Verfahren sind vor allem die Kosten und der zeitliche Aufwand. Da das Verfahren anspruchsvolle Analysen und Auswertungen bedarf, benötigt man geschultes Personal, das die Informationen sicher verarbeiten und bewerten kann. Dieser langwierige Prozess ist unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten für die Fertigungsbegleitung nicht optimal, sondern eher für Detailunterschungen / Parameterstudien von neuen Materialien und Legierungen geeignet. Zudem ergibt sich aus der Einschränkung der Auflösung, dass Mikrofehler und kleinste Poren nicht detektiert werden können.

Schliffbildanalyse:

Schliffbilder sind in vielen Branchen Standard, da sie auf mikroskopischer Ebene Aufschluss über die Beschaffenheit und Eigenschaften eines Bauteils geben. Hierfür wird das Bauteil durchschnitten und aufbereitet. Unter einem Mikroskop wird das Objekt untersucht, um die Mikrostruktur und eventuelle Fehler zu analysieren und zu erfassen. Vorteile in Hinblick auf AM liegen in der genauen Untersuchung des Ausschnitts, der mit maximaler Genauigkeit betrachtet werden kann. Hier liegt aber auch das größte Problem des Verfahrens. Es handelt sich nur um einen Ausschnitt und somit können auch nur für diesen Bereich Aussagen über die Eigenschaften des Bauteils getätigt werden. Man kann nie ausschließen, gerade eine besonders gute oder schlechte Stelle im Bauteil erwischt zu haben.

Archimedes automatisiert nach Dimensionics Density:

Hierbei handelt es sich um ein automatisiertes Verfahren, das ähnlich wie das manuelle Archimedes-Verfahren funktioniert, aber präzisere und konsistentere Ergebnisse liefert. Der Vorteil liegt in der Möglichkeit reproduzierbare und rückführbare Dichtewerte eines Bauteils unmittelbar in Fertigungsumgebung zu erhalten.

Für die Prozessbegleitung stellt dieses Verfahren die wirtschaftlich effektivste Alternative da. Prozesse können geprüft und freigegeben werden. Wie bei der manuellen Variante gilt auch hier: Das Ergebnis zeigt, ob Baufehler aufgetreten sind, gibt jedoch keinen Aufschluss über Art und Anzahl der Fehler. Für eine weiterführende Analyse können begleitende Verfahren genutzt werden.

Fazit

Die additive Fertigung, insbesondere das selektive Lasersintern (SLS), hat das Potenzial, hochpräzise Bauteile herzustellen. Dennoch können während des Fertigungsprozesses verschiedene Fehler wie Poren, Verformungen und Risse auftreten, die die Qualität und Leistung des Endprodukts beeinträchtigen. Diese Fehler entstehen durch verschiedene Faktoren, darunter thermische Spannungen, unzureichende Verschmelzung des Pulvers und die Qualität des verwendeten Pulvers. Um die Qualität und Integrität von SLS-gefertigten Bauteilen sicherzustellen, ist es wichtig, diese Fehler zu identifizieren und zu klassifizieren. Hierfür stehen verschiedene Messverfahren zur Verfügung, darunter das manuelle und automatisierte Archimedes-Verfahren, CT-Scans und die Schliffbildanalyse. Jedes dieser Verfahren hat seine eigenen Vor- und Nachteile in Bezug auf Genauigkeit, Kosten, Zeitbedarf und den Umfang der bereitgestellten Informationen. Eine sorgfältige Auswahl und Kombination dieser Verfahren kann Herstellern helfen, den Fertigungsprozess zu optimieren und hochwertige Bauteile zu produzieren.

Quelle: Analyse von Messverfahren zur Dichtebestimmung - Fraunhofer IAPT - Dimensionics Density GmbH