3D Druck Material: Werkstoff-Qualifizierung

Werkstoff - Qualifizierung

Aus der über 100-jährigen Erfahrung bei der Verarbeitung von über 400 verschiedenen Werkstoffen für die Herstellung von Schmiedebauteilen kennen wir die hohen Herausforderungen bei unseren Endkunden bezüglich anwendungsspezifischen Werkstoffeigenschaften.

Wir bei Rosswag Engineering haben es uns deshalb zum Ziel gesetzt, die Werkstofflücke zwischen Metall 3D-Druck und konventionellen Fertigungsverfahren zu schließen. In dutzenden Industrie- und Forschungsprojekten wird aktuell an der Qualifizierung neuer Werkstoffe gearbeitet. Sowohl bekannte Legierungen wie den Vergütungsstahl 42CrMo4 oder auch neuentwickelte Werkstoffe wie den hochfesten Maraging-Werkzeugstahl Specialis® können wir unseren Kunden applikationsspezifisch für die Bauteilherstellung anbieten.

Werkstoffübersicht

Flyer (PDF)

Serienreife Werkstoffe
im vergleich

Die Anzahl an verfügbaren und qualifizierten Werkstoffen für den industriellen Metall 3D-Druck ist vergleichsweise gering. Zur weiteren Industrialisierung der Technologie benötigt der Markt allerdings eine größere Werkstoffauswahl, um die funktionalen Mehrwerte durch additive Fertigungsverfahren auch industrieübergreifend für mehr Anwendungsfälle zu ermöglichen.

Technology Readiness Level

Die Einordnung nach Technology Readiness Level (TRL) hilft in der Kommunikation transparent den Qualifizierungsstatus eines Werkstoffs zu beschreiben. Mit der initialen Qualifizierung, ersten Schliffergebnissen und mechanischen Eigenschaften kann die prinzipielle Verarbeitbarkeit des Werkstoffs nachgewiesen werden und man erreicht TRL 3. Ausgehend davon kann die weitere Qualifizierung in den folgenden beiden Phasen bis zur Serienreife vorangetrieben werden. In TRL 4-6 „Prototyping and Validation“ erfolgen dabei anwendungsspezifische Optimierungen und Validierungen der angestrebten Prozesskette. In der letzten Phase „Serial Production“ werden Werkstoff und Prozess schließlich mit umfangreicher Statistik für spätere Serienanwendungen optimiert und es können anwendungsspezifische Zertifizierungen für den Werkstoff, den Prozess und das Bauteildesign in Angriff genommen werden.

Initiale Qualifizierung

Die Hürde für Unternehmen, neue Werkstoffe für die additive Fertigung qualifizieren zu lassen, ist in der Regel sehr hoch. Das Metallpulver muss zunächst in der benötigten Qualität über einen Zulieferer hergestellt werden. Anschließend ist ein weiterer Partner notwendig, um den Werkstoff auf einer LPBF Anlage zu verarbeiten und geeignete Prozess- und Maschinenparameter zu identifizieren. Oftmals werden Proben und Testkörper noch von einem dritten Partner analysiert und erprobt. Die unzähligen Schnittstellen führen dabei zu einem hohen finanziellen Risiko und zu einem langwierigen Entwicklungsprojekt ohne klare Struktur und Zielsetzung.

Bei Rosswag Engineering ist es durch die firmeninterne und ganzheitliche Prozesskette möglich, in weniger als 4 Wochen einen neuen Werkstoff zu Metallpulver zu verdüsen, LPBF-Parameterstudien durchzuführen und anschließend im Labor die initialen Ergebnisse bezüglich Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften zu ermitteln. Nach dem von der NASA entwickelten Technology Readiness Level (TRL) bewegt man sich mit der initialen Qualifizierung im Bereich des Nachweises der Funktionstüchtigkeit (Level 3).

Validierung & Prototyping

Nach dem Nachweis der prinzipiellen Prozessfähigkeit des Werkstoffs wird der Gesamtprozess auf die applikationsspezifischen Anforderungen der möglichen Endanwendungen optimiert. Im Fokus steht zum einen das Post-Processing von der Wärmebehandlung über die spanende Bearbeitung bis hin zum passenden Oberflächenfinishing. Zum anderen werden erste Prototypen und Testkörper durch weiterführende Testreihen hinsichtlich der anwendungsspezifischen Anforderungen geprüft.

Auch die Übertragbarkeit auf andere LPBF Anlagen ist ein wichtiger Baustein im Bereich der Technology Readiness Level 4-6. Ziel ist die maschinenunabhängige Verarbeitbarkeit des spezifizierten Metallpulvers auf vergleichbaren Fertigungssystemen durch die Übertragung der wichtigsten Maschinenparameter und dem anschließenden Feintuning auf die jeweilige Systemcharakteristik.

Serien Fertigung

Ein serienreifer Werkstoff und Fertigungsprozess steht als großes Ziel am Ende jeder Qualifizierung – und ist doch erst der Anfang. Das Hauptziel sollte der Aufbau einer bauteilspezifischen AM-Prozesskette sein. Ob die Serienfertigung weiterhin über Dienstleister wie Rosswag Engineering abgewickelt wird, oder der Kunde sich die additive Fertigung als Schlüsseltechnologie selbst ins Haus holen möchte, entscheidet sich dabei kundenindividuell und applikationsspezifisch. Hier unterstützt Rosswag seine Kunden auch beim Know-How-Transfer.

Weitere Bestandteile für das Erreichen von TRL 9 sind applikationsspezifische oder prozessübergreifende Zertifizierungen. Diese sind beispielweise für drucktragende Bauteile notwendig und können gemeinsam mit unserem Partner TÜV Süd durchgeführt werden. Abschließend qualifiziert Rosswag Engineering auch mit experimentell ermittelten Daten Materialmodelle für die Simulation des additiven Fertigungsprozesses über ANSYS Software. Damit kann die gesamte Prozesskette vom Bauteildesign über die LPBF-Parameteroptimierung bis hin zur Wärmebehandlung simulativ abgebildet werden. Damit kommen wir der Vision „Digitaler Zwilling“ jeden Tag ein kleines Stückchen näher.

Weltweit schnellste Werkstoff-Qualifizierung