Untersuchung zur Reduzierung des Verzugs durch Vorwärmung bei der Herstellung von Aluminiumbauteilen mittels SLM

Das generative Fertigungsverfahren Selective Laser Melting (SLM) wird zur direkten Herstellung von metallischen Funktionsbauteilen verwendet. Während des Bauprozesses entstehen durch den schichtweisen Aufbau und die lokale Energieeinbringung mittels eines fokussierten Laserstrahls thermisch induzierte Eigenspannungen, die zu Verzug des Bauteils oder von Bauteilbereichen führen können. Üblicherweise werden die Verzüge durch Stützstrukturen zwischen Bauteil und Substratplatte verhindert. Jedoch ist es nicht immer möglich alle Bereiche eines Bauteils, je nach Komplexität der Geometrie oder Zugänglichkeit, mit Stützstrukturen zu versehen bzw. diese wieder zu entfernen. Durch eine Vorwärmung der Substratplatte während des Bauprozesses können die Verzüge reduziert oder ganz vermieden werden. Jedoch ist bisher keine systematische Untersuchung des Einflusses der Vorwärmung auf Verzüge von Aluminium Bauteilen durchgeführt worden. Ziel dieser Arbeiten ist daher die systematische Untersuchung der Auswirkung einer Vorwärmung beim SLM von Aluminiumbauteilen und die Ermittlung der geeigneten Vorwärmtemperatur, bei der nahezu keine Verzüge mehr entstehen. Eine signifikante Verzugsreduzierung im Vergleich zu den Verzügen ohne Vorwärmung zeigt sich ab einer Vorwärmtemperatur von 150°C. Bei einer Vorwärmtemperatur von 250°C sind im Rahmen der Messgenauigkeit unabhängig von der untersuchten Twincantilever Testgeometrie keine Verzüge mehr feststellbar. Neben der Reduzierung der Verzüge verhindert die Vorwärmung außerdem spannungsbedingte Risse im Bauteil, die ohne Vorwärmung zum Abreißen von Teilen der Testgeometrie führen können. Mit 90 HV 0,1 bei 250°C Vorwärmtemperatur ist die Härte größer als die geforderte Mindesthärte nach DIN EN 1706 von Druckgussbauteilen aus dem Werkstoff AlSi10Mg. Aus diesem Ergebnis kann abgeleitet werden, dass eine Vorwärmtemperatur von 250°C geeignet ist, Bauteile aus dem Werkstoff AlSi10Mg mit SLM defektfrei und prozesssicher herzustellen und Verzüge vollständig zu vermeiden.

The additive manufacturing process Selective Laser Melting (SLM) can be used to directly produce functional components made out of metal. During the construction process, however, thermally induced internal stress occurs due to the layered build-up and the local input of energy by means of a focused laser beam, which can lead to distortion of the component or sections of the component itself. Normally, distortion is prevented by means of supporting structures between the component and the substrate plate. It is not always possible, however, to provide all the areas of a component with supporting structures or to remove them later, depending on how complex the geometry or how accessible the structures are. When the substrate plate is heated during the construction process, the distortion can be reduced or eliminated entirely. Nonetheless, a systematic investigation of the extent to which preheating influences distortion of aluminum components has not yet been conducted. This works aims at systematically investigating the effects of preheating during SLM of aluminum components and determining an appropriate preheating temperature at which distortion practically no longer occurs. A significant reduction in distortion compared to the distortion without preheating can be seen beginning at a preheating temperature of 150°C. At a preheating temperature of 250°C, distortion can no longer be detected within the scope of the measuring accuracy independent of the twin cantilever test geometry investigated. In addition reducing distortion, the preheating changes the stress-related cracks in the component, which can lead to tearing of the parts of the test geometry. With 90 HV 0.1 at a preheating temperature of 250°C, the hardness is greater than the required minimum hardness according to DIN EN 1706 of die-cast parts from the material AlSi10Mg. From these results it can be concluded that a preheating temperature of 250°C is suitable for reliably manufacturing components made out of the material AlSi10Mg using SLM free of defects and for preventing distortion completely.