Drahtbasierter 3D-Druck Mechanische Kennwerte für EBOADD-Verfahren ermittelt

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Steigerwald Strahltechnik GmbH

Das von Steigerwald Strahltechnik entwickelte EBOADD-Verfahren bietet die Möglichkeit, drahtbasierte additive Fertigung mittels Elektronenstrahl für eine Vielzahl von metallischen Legierungen durchzuführen. Im Versuch wurden nun anhand von Edelstahl mechanische Kennwerte ermittelt und mit dem Datenblatt verglichen.

Die Steigerwald Strahltechnik GmbH (SST) ist ein Spezialmaschinenhersteller von Elektronenstrahlanlagen. Die auf den Kunden zugeschnittenen Anlagen können für das Schweißen, das Bohren, die Oberflächenbehandlung (z.B. Härten) oder die additive Fertigung eingesetzt werden. Für Letzteres wurde das neuartige EBOADD (Electron Beam Additive Manufacturing)-Verfahren entwickelt. Dabei wird ein Draht mit dem Elektronenstrahl aufgeschmolzen und selektiv deponiert.

Vorteile des Electron Beam Additive Manufacturing-Verfahrens

Wie Steigerwald Strahltechnik mitteilt, bietet das EBOADD-Verfahren im Gegensatz zu pulverbasierten Verfahren eine höhere Aufbaurate. Zusätzlich sei das Rohmaterial in Drahtform in der Anschaffung günstiger und weniger anfällig für äußere Verunreinigung wie z.B. durch Sauerstoff. Ein weiterer Vorteil von EBOADD ist der Elektronenstrahl, heißt es. Dieser könne mit bis zu 150 kV Beschleunigungsspannung schwierig zu verarbeitende Materialien aufschmelzen, die z.B. eine hohe Reflektivität (Kupfer) oder eine sehr hohe Schmelztemperatur (Wolfram) aufweisen. Auch rissanfällige (Nickellegierungen) oder reaktive Materialien (Titanlegierungen) könnten gut verarbeitet werden. Letzteres ist durch das erforderliche Vakuum gegeben. Großes Optimierungspotential soll auch in der möglichen parallelen Nutzung mehrerer Materialien liegen.

Durchführung des Prozesses zur Kennwertermittlung

Um das Potential der drahtbasierten additiven Fertigung für komplexere Geometrien zu zeigen, hat SST nun für die Verarbeitung von Edelstahldraht Prozessparameter experimentell ermittelt. Zum additiven Aufbau wurde eine Elektronenstrahlanlage mit einem Kammervolumen von 22 Qubikmetern und einem 150 Kilovolt Elektronenstrahlgenerator verwendet.

Und so läuft der Prozess ab: Zu Beginn wird eine Startplatte im Vakuum mit einem defokussierten Strahl auf 600-800 Grad Celsius vorgeheizt. Der additive Aufbau erfolgt mit einer Beschleunigungsspannung von 100 Kilovolt und einem Strahlstrom von 11-12 Milliampere. Der auf einen Punkt zentrierte Strahl bewegt sich mit 20 Hertz und einem Radius von 2,25 Millimeter um ein Zentrum herum. In dieses Zentrum wird in diesem Fall der Edelstahldraht (Werkstoffnummer 1.4316) von 1,6 Millimeter Durchmesser mit einer Geschwindigkeit von 15 Millimeter pro Sekunde diskontinuierlich befördert, aufgeschmolzen und deponiert. Dabei wird das Bauteil Punkt für Punkt mit einer Punkt-Aufbaudauer von einer Sekunde aufgebaut. Nachdem ein Punkt gesetzt ist, wird der Draht leicht zurückgezogen und das Bauteil um 3 mm bewegt. Die Orientierung der Drahtzuführung zur aufgebauten Wand hat durchgehend einen Winkel von 90° (seitlich). Die Schichtdicke beträgt 1,5 mm. Damit wird eine Aufbaurate von ca. 30 cm²/h erreicht.

Die experimentell ermittelten Kennwerte

Im Zugversuch wurde nach Angaben von SST vertikal eine Zugfestigkeit von 500 Megapascal ± 8 Megapascal und horizontal von 550 Megapascal ± 4 Megapascal ermittelt. Hinsichtlich der Bruchdehnung wurde vertikal ein Wert von 58,0 Prozent ± 1,8 Prozent und horizontal einen Wert von 52,4 Prozent ± 0,4 Prozent gemessen. Anhand dieser Ergebnisse ist laut SST eine gewisse Anisotropie zu erkennen wie sie typisch für die additive Fertigung ist. Im technischen Datenblatt des Drahtes werden Richtwerte von 590 Megapascal Zugfestigkeit und 35 Prozent Bruchdehnung angegeben. Es zeigt sich, dass die hier ermittelten Werte hinsichtlich der Zugfestigkeit knapp darunter und hinsichtlich der Bruchdehnung weit darüber befinden. Die gemessene Härte lag nach eigenen Angaben bei 173,5 ± 9,47 HV 0,5 und damit leicht über den Angaben des technischen Datenblattes von 160 HV. Somit kann mit den gezeigten Prozessparametern ein defektfreies und stängelkristallines Gefüge mit einer leicht anisotropen Zugfestigkeit und einer hohen Bruchdehnung erzielt werden.

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