Geometrie-und Prozesseinflüsse auf lokale Bauteileigenschaften in der metallischen additiven Fertigung mittels Laserstrahlschmelzen

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Geometrie- und Prozesseinflüsse auf lokale Bauteileigenschaften in der
metallischen additiven Fertigung mittels Laserstrahlschmelzen
T. Räpke1*, A. Mühlenweg2, D. Rule3, M. Hajduk3, C. Heinze3, N. Scheuschner1, H. Xu1, E. Odabasi4, K.
Hilgenberg1
1Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, 2 Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb TU Berlin,
3Siemens Energy, 4CellCore GmbH
*toni.raepke@bam.de
Die mechanischen Eigenschaften und die Standardparametersätze werden im additiven
Fertigungsverfahren Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) zumeist an Körpern ermittelt, die unter festen
Randbedingungen gefertigt werden. In der Literatur wird allerdings von verschiedenen Autoren auf
einen Einfluss von Geometrie und Prozess auf die resultierenden Eigenschaften hingewiesen [1, 2, 3].
Aufgrund des häufig großen Komplexitätsgrads von L-PBF Bauteilen und Prozessen, ist eine Abweichung
angenommener Eigenschaften daher nicht auszuschließen. Das kann besonders für tragende und
sicherheitsrelevante Komponenten kritisch sein und ist eine Herausforderung für die
Qualitätssicherung. Aufwendige Trial-and-Error Versuche sind zumeist die Folge. Ein einheitliches und
umfassendes Verständnis der Einflussfaktoren auf die resultierenden Eigenschaften im L-PBF Prozess ist
zum aktuellen Stand nicht vorhanden [4].
Figure 1. Grafische Darstellung des Variationsraum der resultierenden Bauteileigenschaften im L-PBF
In diesem Vortrag werden erste Ergebnisse einer Studie vorgestellt, in der systematisch die Bandbreite
möglicher Defekt- und Mikrostrukturvariationen in L-PBF Bauteilen am Beispiel der Nickelbasislegierung
Haynes 282 untersucht wird. Aufbauend auf einer modellbasierten Beschreibung des lokalen
Wärmehaushalts wurden Versuchspläne entwickelt, die eine Vielzahl möglicher Prozess- und
Geometriekonfigurationen realer Anwendungen abbilden können. Zur Untersuchung des
Geometrieeinflusses wurden typische Geometrieelemente komplexer Strukturen und deren
Ausprägungen identifiziert. Prozessseitig wurden die Position im Bauraum, Schwankungen der
Laserleistung, die Zwischenlagenzeit und die Belichtungsstrategie innerhalb der Schicht als typische
Faktoren berücksichtigt. Die Zwischenlagenzeit bildet dabei Variationen im Bauraumfüllgrad ab. Die
Belichtungsstrategie untersucht Effekte wie die Zwischenvektorzeit (engl. inter vector time, IVT) oder
die lokale Vektorlänge. Die verschiedenen Konfigurationen wurden metallografisch bewertet. Die
bisherigen Ergebnisse können einen Einfluss der Geometrie und des Prozesses auf die Defektbildung

und die Mikrostruktur in L-PBF Bauteilen aufzeigen. Durch prozessbegleitende thermografische in situ
Messungen konnte außerdem eine Abhängigkeit von lokalen und globalen Temperaturfeldern
identifiziert werden. Die Erkenntnisse zeigen zudem, dass der geometrische Einfluss auf den lokalen
Wärmehaushalt von Anordnung, Gestalt und Dimensionen der zweidimensionalen Belichtungsbereiche
über die Aufbauhöhe abhängt. Das gewonnene Verständnis soll in die Entwicklung von
Konstruktionsrichtlinien und Prüfkörpern einfließen, um Variationen lokaler Bauteileigenschaften in der
zukünftigen Bauteil- und Prozessauslegung berücksichtigen zu können.
Referenzen
[1] Mohr, Gunther; Altenburg, Simon J.; Hilgenberg, Kai, Effects of inter layer time and build height on resulting
properties of 316L stainless steel processed by laser powder bed fusion, 2020, Additive Manufacturing 32
[2] Yadollahi, Aref; Shamsaei, Nima, Additive manufacturing of fatigue resistant materials: Challenges and
opportunities, 2017, International Journal of Fatigue 98
[3] DebRoy, T.; Mukherjee, T.; Wei, H. L.; Elmer, J. W.; Milewski, J. O., Metallurgy, mechanistic models and machine
learning in metal printing, 2021, Nature Reviews Materials 6, 48–68
[4] I. Yadroitsev, I. Yadroitsava, A. Du Plessis, E. MacDonald, Fundamentals of laser powder bed fusion of metals,
2021