Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Pulvermaterialien für Prozesse der additiven Fertigung - Erhöhung der Ressourcen- und Prozesseffizienz durch produktionsintegriertes Recycling

Additive Fertigungsprozesse verarbeiten aktuell ausschließlich Pulvermaterialien mit sehr engen Spezifikationen. Die Spezifikationen betreffen neben der grundlegenden chemischen Zusammensetzung insbesondere die Partikelgrößenverteilung (PGV) und die Partikelform. Letztere bestimmen das Schüttgutverhalten beim Einfüllen des Pulvermaterials sowie das Schmelz- und Fließverhalten und somit die Struktur- und Gefügeausbildung.

Das Projekt zielt auf die Erzeugung und Bereitstellung von metallischen Pulvern (FS1) aus Produktionsabfällen sowie deren Verarbeitung im EBM-Verfahren (FS2). Es wird eine Zerkleinerungsstrategie entwickelt, die aus dem kompakten metallischen Strukturen unterschiedlicher Festigkeit (Sintergrad) wieder Partikel erzeugt. Es werden Pulverfraktionen mit schrittweise steigender Qualität (Partikelgrößenverteilung, Reinheit, Partikelform) hergestellt und im EBM-Prozess auf ihre Verarbeitbarkeit hin charakterisiert.

Das Pulver wird ausgehend von einem Prozessparametersatz für sphärische Partikel in der EBM Anlage unter systematischer Variation der Prozessparameter verarbeitet. Die so erzeugten Probenkörper werden mikrostrukturellen Untersuchungen sowie mechanischen Tests zur Bestimmung der Werkstoffeigenschaften unterzogen. An Ermüdungsversuche anschließende fraktographische Untersuchungen dienen der Identifizierung der Schädigungsmechanismen und der rissinitiierenden mikrostrukturellen Details.

Das visionäre Ziel ist die erfolgreiche Verarbeitung eines zu 100 Prozent aus recyceltem Material gewonnenen Pulvers, das über möglichst geringen Aufwand aufbereitet wurde und aus dem Vollkörper mit mechanischen Eigenschaften additiv hergestellt werden können, die in ihrer Güte an Proben aus konventionellem Pulvermaterial heranreichen. Für kmU ergeben sich Tätigkeitsfelder in der Apparatetechnik und der Umsetzung der mechanischen Aufbereitung (Recycling als Dienstleistung) sowie in der Nutzung der kostengünstigeren Recyclingmaterialien in ihren Fertigungsprozessen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Projektes konnten sowohl seitens der additiven Fertigung als auch seitens der Aufbereitungstechnik wichtige Erkenntnisse gewonnen werden. Seitens der Aufbereitungstechnik zeigte sich, dass durch die Verwendung einer speziellen Aufbereitungsstrategie bereits bis zu 53 Ma.% Rezyklat gewonnen werden können, welches die Anforderungen für die additive Fertigung erfüllt. Weiterhin wurden als maßgebliche Einflussgrößen neben der Partikelgröße, Partikelform und Fließeigenschaften der Pulver die Oberflächenrauheit der Partikel identifiziert. Auch wurden erste Ideen entwickelt, wie unzulässig hohe Eisenverunreinigungen in nachfolgenden Prozessen vermindert werden können.

In der additiven Fertigung konnte gezeigt werden, dass mit geeigneten Prozessparametern unabhängig vom Pulvermaterial in Bauteilen eine nahezu ideale relative Dichte erzeugt werden kann. Dadurch eröffnen sich für viele Firmen im Bereich der Pulverherstellung neue Möglichkeiten, die Kosten für die Herstellung der Pulver deutlich zu reduzieren. Dabei sollte insbesondere auf die chemische Reinheit der Legierung geachtet werden. Im Bereich des Recyclings können nachgeschaltete Verfahren die Chemie des rezyklierten Materials verbessern. Die Ergebnisse dieses Projektes leisten damit an dieser Stelle einen substantiellen Beitrag diese hohen Markteintrittsbarrieren zu reduzieren.