Möglichkeiten und Grenzen bei der generativen Herstellung metallischer Bauteile durch das Strahlschmelzverfahren

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1 Möglichkeiten und Grenzen bei der generativen Herstellung metallischer Bauteile durch das Strahlschmelzverfahren Von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Universität Duisburg-Essen zur Erlangung des akademischen Grades DOKTOR-INGENIEUR genehmigte Dissertation von Jan Torsten Sehrt aus Essen Referent: Prof. Dr.-Ing. habil. Gerd Witt Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Michael Friedrich Zäh Tag der mündlichen Prüfung: 01. Juni 2010

2 Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter des Lehrstuhls Fertigungstechnik am Institut für Produkt Engineering der Universität Duisburg-Essen. Ich danke Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Gerd Witt für die Möglichkeit zur Durchführung der Arbeit an seinem Lehrstuhl, die hervorragende Betreuung meiner Arbeit und sein uneingeschränktes Vertrauen. Ebenfalls danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Michael Zäh, dem Leiter des Instituts für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften der Technischen Universität München für die Durchsicht der Dissertationsschrift und die Übernahme des Korreferates. Bei den Mitarbeitern des Lehrstuhls, den Studien- und Projektarbeitern und Diplomanden bedanke ich mich für die gute Zusammenarbeit und ihr Engagement. Zuletzt danke ich meiner Familie für ihre Unterstützung und Diskussionsbereitschaft während der Entstehungszeit der Arbeit. Mülheim, im Juni 2010

3 Berichte aus der Fertigungstechnik Jan T. Sehrt Möglichkeiten und Grenzen bei der generativen Herstellung metallischer Bauteile durch das Strahlschmelzverfahren Shaker Verlag Aachen 2010

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Duisburg-Essen, Univ., Diss., 2010 Copyright Shaker Verlag 2010 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Zielsetzung Verfahrensgrundlagen und Stand der Technik Einordnung des Strahlschmelzens - Begriffe Funktionsweise des Strahlschmelzens Einflussgrößen auf den Strahlschmelzprozess Menschlicher Einfluss Maschineller Einfluss Materieller Einfluss Methodischer Einfluss Mitweltlicher Einfluss Prozesssicherheit Entwicklung einer Verfahrenssystematik bei der Qualifizierung neuer Werkstoffe für das Strahlschmelzen Analyse des verwendeten Pulverwerkstoffes Bestimmung der optimalen Fokuslage Bestimmung der optimalen Scangeschwindigkeit und des Spurabstandes Bestimmung der optimalen Streifenüberlappung Bestimmung der materialabhängigen Skalierungs- und Strahlverschiebungswerte Untersuchung materialspezifischer Eigenschaften Mechanische Eigenschaften (Werkstoffprüfung) Statische Festigkeitsuntersuchung strahlgeschmolzener Bauteile Bisherige Untersuchungen in der Literatur Strategische Vorüberlegungen Spezifikation und Anordnung der Zugproben Herstellung und Nachbearbeitung der Zugproben Zugversuch Auswertung der Ergebnisse Zusammenfassung der statischen Festigkeitswerte Interpretation der Ergebnisse Statische Festigkeitsuntersuchungen hybrid aufgebauter Zugproben Spezifikation der Hybridzugproben Herstellung und Nachbearbeitung der hybriden Zugproben Auswertung und Interpretation der Ergebnisse Zusammenfassung der hybriden Zugfestigkeitsergebnisse Dynamische Festigkeitsuntersuchung strahlgeschmolzener Bauteile Herstellung und Nachbearbeitung der Umlaufbiegeproben Umlaufbiegeversuch Auswertung und Interpretation der Ergebnisse Bruchzähigkeitsuntersuchung strahlgeschmolzener Bauteile Herstellung und Nachbearbeitung der Probengeometrie... 68

6 II Inhaltsverzeichnis Einbringen der Ermüdungsanrisse und Durchführung der Zugversuche Auswertung und Interpretation der Ergebnisse Oberflächenverbesserung strahlgeschmolzener Bauteile durch autarke Nachbearbeitungsverfahren Einflussfaktoren auf die Oberflächengüte strahlgeschmolzener Bauteile Pulveranhaftungen und Schmelzausläufer Stufeneffekt an geneigten Flächen Ausgewählte autarke Nachbearbeitungsverfahren Strahlverfahren Gleitspanen Elektropolieren Strahlgeschmolzener Testkörper und Oberflächenrauheitsmessung Entwicklung eines Testkörpers mit charakteristisch ausgeprägten Oberflächen beim Strahlschmelzen Oberflächenrauheitsmessung in Anlehnung an DIN EN ISO Auswertung unterschiedlicher Versuchsreihen Vorversuchsreihe Ausgangssituation Versuchsreihe 1 Auswirkung auf den Ausgangszustand Versuchsreihe 2 Auswirkungen des mehrstündigen Gleitschleifens auf Versuchsreihe Versuchsreihe 3 Einfluss der Strahlmittel auf den Ausgangszustand Versuchsreihe 4 Einfluss der Schleifkörper auf den Ausgangszustand Versuchsreihe 5 Auswirkungen des Elektropolierens auf vorbearbeitete Testkörper der Versuchsreihe Versuchsreihe 6 Auswirkungen des Elektropolierens auf vorgestrahlte Testkörper Optimierte Versuchsreihe bei der Verbesserung strahlgeschmolzener Oberflächen Ergebnisdarstellung der optimierten Versuchsreihe Herstellung definiert teilporöser metallischer Bauteile durch Strahlschmelzen Poröse Strukturen Bestimmung des Prozessfensters definiert teilporöser Strukturen Evaluierung des Prozessfensters Spezifische Eigenschaftsbestimmung Spezifische Durchströmbarkeit nach DIN EN ISO Porengröße nach DIN ISO Porosität Scherfestigkeit nach DIN Teil Zusammenfassung spezifischer Eigenschaften definiert teilporös aufgebauter Strukturen Applikationsbeispiele beim Strahlschmelzen Herstellung hybrider Bauteile Direkte Integration von RFID-Chips

7 Inhaltsverzeichnis III Wirtschaftlichkeitsvergleich konventioneller Fertigungsverfahren mit Strahlschmelzverfahren Zusammenfassung und Ausblick Anhang A1 Standardbelichtungsparameter Edelstahl GP A2 Orientierungen, Behandlungszustände und Belichtungsstrategien der Zugproben A3 Gemittelte Ergebnisse der Zugproben Formelzeichen und Abkürzungen Literaturverzeichnis