Kleine Partikel, große Auswirkung: Der Einfluss der Pulverwerkstoffeigenschaften beim L-PBF

Untersuchungen zu den Eigenschaften des Pulverwerkstoffs zeigen wesentliche Wirkzusammenhänge im Hinblick auf die spätere Bauteilqualität. Zum Vergleich wurden gasverdüste, sphärische Pulver und wasserverdüste, spratzige Pulver herangezogen. Als Einflussgrößen wurden Partikelgröße, -morphologie und -fließfähigkeit untersucht.

Die Fließfähigkeit der Pulver ist nach Carr´s Index, einer gängigen Methode zur Ermittlung der Pulver-Fluidität, bei gasverdüsten Pulvern exzellent bis sehr gut und bei wasserverdüsten Pulvern gut bis mittel fließfähig. Zudem wurden die Methoden Avalanche Angle und Surface Fractal zur Bestimmung der Fließfähigkeit herangezogen. Zwischen allen drei Methoden besteht ein linearer Zusammenhang der jeweiligen Indices zueinander, sodass die ermittelten Kenngrößen gleichwertig zur Beschreibung der Pulverfließfähigkeit genutzt werden können. Insbesondere der Pulverauftrag wird durch die Fließfähigkeit beeinflusst. Je größer die Verfahrgeschwindigkeit des Beschichterwerkzeugs beim Pulverauftrag, desto geringer ist die resultierende Pulverbettdichte. Dieser Einfluss ist bei sphärischem Pulver größer als bei spratzigem Pulver und lässt einen Einfluss der Partikelform bzw. der Pulverfließfähigkeit auf die Pulverbettdichte vermuten. Die Betrachtung der Partikelgrößenverteilung zeigt, dass die Größenverteilung bei wasserverdüsten Pulvern größer ist als bei gasverdüsten Pulvern.

Querschliffe der aufgebauten Proben aus unterschiedlichen Pulvertypen. © RWTH Aachen DAP
Querschliffe der aufgebauten Proben aus unterschiedlichen Pulvertypen. © RWTH Aachen DAP

Dies kann durch einen größeren Anteil an kleineren Pulverpartikeln pro Fraktion erklärt werden. Bei einer Pulverfraktion von 37 – 53 µm besteht wasserverdüstes Pulver zu 50 Volumenprozent aus Partikeln mit einem Durchmesser ≤ 37,95 µm im Vergleich zu gasverdüstem Pulver mit einem Durchmesser ≤ 40,27 µm. Darüber hinaus können größere spratzige Pulverpartikel durch das Sieb fallen, sofern sie in einer Raumdimension kleiner als die Siebmaschenweite sind. Das führt bei der optischen Auswertung der Partikelgrößen zu einem größeren Anteil an großen Pulverpartikeln.
Unterschiedliche Partikelgrößen wirken sich auf den Pulverauftrag und das Aufschmelzen aus. Während des Pulverauftrags werden große Pulverpartikel durch das Beschichterwerkzeug erfasst und in den Pulverüberlauf transportiert, sodass der feinere Anteil des Pulvers im Pulverbett verbleibt. Dadurch entsteht eine Entmischung des Pulvers während des L-PBF Prozesses. Dieser Effekt hat unter anderem Auswirkungen auf die benötigte Umschmelzenergie. Besonders im Downskin-Bereich weisen Proben aus wasserverdüstem Pulver eine um Faktor zwei größere Oberflächenrauheit durch angesintertes oder nicht vollständig umgeschmolzenes Material auf. Darüber hinaus nimmt die Bauteildichte ab, je größer die Pulverpartikel sind.

Die Pulverpartikelmorphologie hat Einfluss auf das Pulverbett wie auch die spätere Bauteildichte. Die Pulverbettoberfläche wasserverdüsten Pulvers ist im Vergleich zu gasverdüstem Pulver inhomogener bei einer gleichzeitig geringeren Pulverbettdichte.
Hergestellte Probekörper (Würfel 10 x 10 x 10 mm3) aus gasverdüstem Pulver weisen eine höhere Porosität aufgrund überwiegend sphärischer Gasporen auf. Sie entstehen durch einen erhöhten Energieeintrag. Bei gleicher Pulverfraktion und gleichen Verfahrensparametern scheint die ausgebildete Schmelzspurbreite von wasserverdüsten Pulvern kleiner als die von gasverdüsten Pulvern zu sein, da Anbindungsfehler erkennbar sind. Ursache könnten unterschiedliche Wärmeleitungsbedingungen zwischen den verschiedenen Pulvertypen sein, die durch die unterschiedlichen Pulverbettdichten entstehen.

Neben dem absoluten Energieeintrag scheint die Wechselwirkungszeit zwischen der Laserstrahlung und dem Pulverbett bzw. Schmelzbad einen Einfluss auf die Verarbeitbarkeit zu haben. Insbesondere für wasserverdüste Pulver werden höhere Wechselwirkungszeiten, also geringe Scangeschwindigkeiten, zur Herstellung dichter Bauteile benötigt.

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