Herstellung von Edelstahlpulvern für die additive Fertigung und deren Charakterisierung

Abstract

Additive Fertigung ist als innovatives Fertigungsverfahren nicht mehr wegzudenken. Durch dessen Flexibilität nicht nur als Rapid Prototyping, sondern mit dem Vorteil der Designfreiheit und verbesserten Verfahren zunehmend auch für die Massenfertigung. Insbesondere pulverbettbasierte Verfahren stellen hohe Ansprüche an die zu verwendenden Pulver, da diese sehr rund, frei von Satelliten und möglichst dicht sein sollen. Diese Anforderungen erfüllt mittels Ultraschall-Atomisierung hergestelltes Pulver, welches in dieser Arbeit behandelt wird, zur Gänze. Es wurden zwei Edelstähle getestet, chrom-nickelhaltiges 316L, sowie 316LSi mit höherem Siliciumgehalt. Letzterer findet häufig als Schweißzusatz für 316L Verwendung. Die Herstellungsparameter wurden variiert und die Auswirkungen auf Form, Partikelgrößenverteilung und chemische Zusammensetzung betrachtet. Außerdem wurde die Eignung für pulverbettbasierte Fertigung mittels Rakelprüfer getestet. Es konnte gezeigt werden, dass die hergestellten Pulver außergewöhnlich rund (Roundness ~ 0,98) sowie frei von Satelliten sind und eine enge Partikelgrößenverteilung aufweisen (mehr als 75 % der Pulverpartikel haben einen Durchmesser von 45 – 63 μm). Außerdem konnte die gute Rakeleignung des Pulvers mittels Topographieaufnahmen von gerakelten Schichten bestätigt werden. An den Oberflächen der Pulverpartikel wurden durch energie-dispersive Röntgenspektroskopie – Analyse manganhaltige Strukturen entdeckt, deren genaue Ursache und Zusammensetzung allerdings noch weiterer Untersuchungen bedarf. Diese Ergebnisse zeigen, dass Edelstahlpulver, die mittels Ultraschall-Atomisierung hergestellt werden, ausgezeichnet für pulverbettbasiertes Schmelzen geeignet sind. Additive Fertigung sollte in einem nächsten Schritt die aufgezeigten theoretischen Erkenntnisse bestätigen können.

In the field of contemporary production techniques, additive manufacturing is a rapidly evolving technology. One example of such a method is the laser powder bed fusion, which uses laser beams to selectively melt layers of powder, thereby fabricating the desired prod-uct layer by layer. The powder quality is one of the most important aspects for creating flawless workpieces, as it should be round, free of satellites and as dense as possible. The production of powder with these properties represents a significant challenge. Conse-quently, there is always an incentive to develop and utilize new ways of powder production. One possibility is the ultrasonic atomization process, which will be discussed in this thesis.Two distinct stainless steel wires, 316L and 316LSi, were used in the powder production process. They are similar in composition, with the sole difference being the silicon content, which is higher in 316LSi. The production parameters were varied and their influence on the morphology, powder size distribution and chemical composition of the powder evalu-ated. Furthermore, the spreadability and hence the suitability of the powder for laser pow-der bed fusion was tested using a spreading tester.The ultrasonic atomization process employed in this thesis results in the production of exceptionally round powder, with a roundness of approximately 0,98. Additionally, it has been shown that the powders are free of satellites and exhibit a very narrow particle size distribution with a minimum of 75 % of all particle diameters falling between 45 and 63 μm. Furthermore, the suitability of ultrasonic atomized powder for laser powder bed fusion could be demonstrated by the use of a spreading tester and topographical images. On the surface of the powder particles structures containing manganese were found, whose origin and exact composition warrants further investigation.The findings of this thesis demonstrate the remarkable suitability of ultrasonic atomized stainless steel powders for laser powder bed fusion. The next step should be to test this in real additive manufacturing processes.