Multi-Proben-Screening durch i3D-Eindruckverfahren

Additive Fertigung: Mechanische Charakterisierung von Laserstrahlschmelzproben (LPBF)

Zusammenfassung: Das Multi-Proben-Screening oder die Hochdurchsatzprüfung mit dem i3D-Eindruckverfahren unterstützt die Entwicklung von Legierungen durch die schnelle Bestimmung von Materialdaten, insbesondere im Bereich der additiven Fertigung. In dieser Studie wurden 12 Proben mit insgesamt 62 plastischen Spannungs-Dehnungs-Kurven automatisiert innerhalb einer Stunde charakterisiert. Die Proben (2 ScalmalloyⓇ [AlMgScZrMn]-Varianten) wurden als Würfel gedruckt und die Messoberfläche mit 800er Körnung vorgeschliffen. Des Weiteren wurden für denselben Druckauftrag die mittels i3D-Eindruckverfahren ermittelten Materialeigenschaften mit entsprechenden Zugversuchen verglichen. Das i3D-Eindruckverfahren erzielt für diese Messungen eine Kostenreduktion von bis zu 90 % im Vergleich zur Zugprüfung.

„Das i3D-Eindruckverfahren bietet viele neue Möglichkeiten für die Hochdurchsatz-Prüfung sowie für andere Anwendungen in der Qualitätssicherung. Der demonstrierte Ansatz für additiv (LPBF) gefertigte Teile und Materialien ist nur eine dieser Möglichkeiten, bei denen er erfolgreich eingesetzt werden kann.“ [ Frank Palm | Central Research & Technology | AIRBUS ]

Abb. 1: Heatmap der mechanischen Eigenschaften (Streckgrenze und Zugfestigkeit) aus dem Imprint Test an 12 Proben (Scalmalloy®)

Additive Fertigungsverfahren wie das Laserstrahlschmelzen (LPBF) gewinnen zunehmend an Bedeutung für die Leichtbauteilproduktion. Dies wird primär durch den steigenden Bedarf an nachhaltiger und umweltbewusster Produktentwicklung angetrieben. Der LBPF-Fertigungsprozess beinhaltet das schichtweise Hinzufügen von Material, das Schmelzen und die schnelle Verfestigung. Dieser Prozess ermöglicht implizit die Herstellung neuer Materialkonzepte, insbesondere für Aluminiumlegierungen. Sc-modifizierte AlMg-Legierungen („ScalmalloyⓇ“) sind ein sehr gutes Beispiel für ein Material, das mit diesem neuen direkten Fertigungsverfahren hergestellt wird.

Einige inhärente Herausforderungen für „3D-gedruckte“ Materialien ergeben sich jedoch aus der komplexen Wechselwirkung der Erstarrungsmikrostruktur mit den endgültigen mechanischen Eigenschaften. Diese Eigenschaften werden durch eine ausgewählte Nachbearbeitungs- (LPBF-) Wärmebehandlung bestimmt. Leider ist eine solche Anpassung der Materialmikrostruktur (zur Minimierung von Eigenspannungen [aufgrund der Erstarrung], zur Optimierung von Festigkeit und Duktilität [Ausscheidungshärtung]) aufgrund der LPBF-Prozessdynamik, die zu Unregelmäßigkeiten und Imperfektionen führt (entstanden durch die hochdynamischen Schmelzbesonderheiten, Erstarrungsraten und Randbedingungen), schwierig. Aluminiumlegierungen sind anfällig für 3D-Druckfehler wie Erstarrungsporositäten (Gas und Schrumpfung), Fusionsdefekte (Bindungsfehler) aufgrund von Oxidkontamination und andere mikrostrukturelle Inhomogenitäten.

LPBF ist ein komplexer Multiparameterprozess, der von schnellen und zuverlässigen Hochdurchsatzprüfmethoden begleitet werden muss, um den „Sweet Spot“ für die Herstellung von Hochleistungsteilen zu finden und gleichzeitig die Bauteilintegrität (Abwesenheit von größeren Defekten im 3D-gedruckten Teil) sicherzustellen. Die standardisierte Materialbewertung hinsichtlich Festigkeit und Duktilität sowie generell aus Sicht der Qualitätssicherung ist zeitaufwendig und teuer. Traditionelle Härteprüfungen wie Brinell oder Vickers haben sich hinsichtlich der globalen Materialfestigkeit als vielseitig erwiesen, liefern jedoch keine zuverlässigen Antworten bezüglich der Plastizität des Materials. Es ist auch aus vielen Zugversuchen bekannt, dass die Bruchdehnung und die Einschnürung sehr empfindlich auf unerwünschte LPBF-Fertigungsfehler und korrekte oder inkorrekte Nachbearbeitungs-Wärmebehandlungen reagieren. Hier kann eine technische Erweiterung einer etablierten Eindruckprüfung wie Brinell mit einem kraftgesteuerten Verfahren, einer 3D-Bildanalyse in Kombination mit einem hybriden KI-basierten Algorithmus (i3D-Eindruckverfahren) neue Optionen zur schnellen und genauen Beurteilung von Materialeigenschaften (Festigkeit und Duktilität) eröffnen.

Abb. 2: Vergleich zwischen i3D-Eindruckverfahren und Zugversuchsergebnissen für Streckgrenze und Zugfestigkeit an Proben 1, 2 und 4 von 2 ScalmalloyⓇ Varianten.

Eine Studie wurde mit 2 LPBF-generierten ScalmalloyⓇ (AlMgSZrMn)-Varianten durchgeführt, die in verschiedenen Nachbearbeitungs-Wärmebehandlungszuständen getestet wurden. Der hohe Sc-Gehalt der Legierung bleibt nach dem 3D-Druck nahezu vollständig in fester Lösung, so dass eine Ausscheidungshärtungs-Wärmebehandlung unter Berücksichtigung der spezifischen Metallurgie von Al-Sc möglich ist. Abhängig von den Anlassbedingungen bewirkt eine diffusionsgesteuerte Sc-Ausscheidung eine bemerkenswerte Festigkeitssteigerung, die von Sc-reichen Nano-Clustern (1 – 2 nm) ausgeht und in einer geordneten, vollständig kohärenten intermetallischen L12-Phase (Al3Sc(Zr)) mit einer Größe von ~ 4 – 6 nm ihren Höhepunkt findet. Bei dieser Spitzenauslagerung ist die Streckgrenze des ScalmalloyⓇ-Materials mehr als doppelt so hoch wie die der „as printed“ (weichen) Legierung, während eine gute Duktilität erhalten bleibt. Die mittels standardisierter Zugversuche gegenüber dem i3D-Eindruckverfahren ermittelten mechanischen Eigenschaften wurden verglichen und als erfolgreich befunden (siehe Abb. 1). Geringfügige Abweichungen wurden in den gemessenen Werten für die Bruchdehnung aus dem Zugversuch und den vorhergesagten Werten aus dem i3D-Eindruckverfahren beobachtet. Bei weiterer Auswertung stellte sich heraus, dass die Zugversuche ebenfalls eine große Streuung der gemessenen Bruchdehnung zeigten. Diese Streuungen oder Abweichungen in den Ergebnissen können hauptsächlich auf Imperfektionen im Aufbau des Materials aufgrund instabiler LPBF-Prozessparameter zurückgeführt werden. Solche Unterschiede sind sofort als Schwankungen der Bruchdehnung in den ausgewerteten plastischen Spannungs-Dehnungs-Kurven aus dem i3D-Eindruckverfahren sichtbar, wodurch die Streuung genau wiedergegeben wird. Darüber hinaus passen die ermittelten Spannungs-Dehnungs-Kurven, die aus den i3D-Eindruckverfahren Versuchen an separaten wärmebehandelten Testwürfeln ausgewertet wurden, gut (innerhalb einer ausreichenden Materialempfindlichkeit) zu den realen Zugversuchsergebnissen (siehe Abb. 2).