Wolfgang Thiele

Laserauftragschweißen mit der Aluminiumlegierung AlSi10Mg

Qualifizierung, mechanische Eigenschaften und Gefügeanalyse


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ISBN:

978-3-8440-4167-5

Series:

Lasertechnik

Keywords:

LAM; Laser additive manufacturing; additive manufacturing; generative Fertigung; additiv; 3D Druck; Automobil; Automobilindustrie

Type of publication:

Thesis

Language:

German

Pages:

172 pages

Figures:

161 figures

Weight:

254 g

Format:

21 x 14,8 cm

Bindung:

Paperback

Price:

48,80 € / 61,00 SFr

Published:

January 2016

Buy:

DOI:

10.2370/9783844041675 (Online document)

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Abstract:

Das Ziel dieser Arbeit ist, die Aluminiumlegierung AlSi10Mg für eine additive Fertigung mittels Laserauftragschweißen (Laser Metal Deposition = LMD) zu qualifizieren. Dafür erfolgt zunächst eine Ermittlung von Verfahrensparametern, die die Herstellung von dichtem Gefüge (max. 0,5 % Porosität im Querschliff) im Volumen ermöglichen. Die Prüfung des verwendeten pulverförmigen Werkstoffs hinsichtlich Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung, Partikelform und möglicher Vakuolen bestimmt und bewertet die Qualität des Zusatzwerkstoffs. So führt ein hoher Feinanteil zu schlechterem Fließverhalten, was zu einer nicht konstanten Pulverzufuhr in den Prozess führt. Auch Anhaftungen, Satellitenbildung und eine geringe Sphärizität der Partikel haben einen negativen Einfluss auf die Fließfähigkeit. Weiterhin werden Gefügeuntersuchungen durchgeführt und statische und dynamische mechanische Eigenschaften untersucht. Diese werden auch mit Ergebnissen für SLM-Proben, die aus der Literatur bekannt sind, verglichen und bewertet.

Das Gefüge mittels LMD generierter Volumina ist deutlich feiner als in einem gegossenen Probekörper, jedoch gröber als im SLM. Dies ist durch die unterschiedlichen Erstarrungsgeschwindigkeiten beim Abkühlen zu erklären. Durch den Schichtaufbau und die Überlappung einzelner Schweißbahnen sind Übergangsbereiche zwischen den Schweißspuren zu erkennen. Die Übergangsbereiche werden hinsichtlich Gefügefeinheit charakterisiert und Besonderheiten im Vergleich zum Schweißbahninneren diskutiert.

Die statischen Festigkeiten der LMD-gefertigten Prüfkörper sind größer als bei gegossenen Proben. Die SLM-Prüfkörper weisen eine noch höhere Dehngrenze auf. Durch eine T6-Wärmebehandlung wird sowohl im LMD als auch im SLM die Festigkeit deutlich gesteigert. Ein HIP-Prozess führt zu einer geringeren Festigkeit mit einer deutlichen Erhöhung der Bruchdehnung.
Zur Überprüfung des Verhaltens der Proben bei schlagender Beanspruchung sind Kerbschlagbiegeprüfungen durchgeführt worden. Im LMD nimmt die Kerbschlagarbeit im wärmebehandelten Zustand T6 im Vergleich zum Fertigungszustand F nur geringfügig ab. Ein HIP-Zyklus beim LMD steigert die Kerbschlagarbeit deutlich.
Eine Betrachtung der Festigkeiten bei zyklischer Beanspruchung wird durch einen Umlaufbiegeversuch durchgeführt. Die Proben werden in den drei Ausrichtungen liegend, diagonal und stehend in den Zuständen F, T6 und HIP auf ihre Zeit- und Dauerfestigkeit geprüft. Demnach wirkt die T6-Wärmebehandlung festigkeitssteigernd, während durch die HIP-Behandlung die Proben deutlich duktiler sind und daher nur eine geringere Dauerfestigkeit erreichen als im Fertigungszustand.
Die Fraktographie der Bruchflächen ergibt für LMD-Proben unterschiedliche Bruchbilder in Abhängigkeit der Prüfkörperausrichtung im Schichtverbund. Zusätzlich sind Unterschiede der Bruchbilder zwischen Schweißbahninnerem und den Übergangsbereichen erkennbar. Außerdem zeigt sich, dass die Porosität den Rissverlauf beeinflusst und den Rissfortschritt beschleunigt.

Zur Validierung der Ergebnisse der mechanischen Eigenschaften wird ein Fahrwerksbauteil eines BMW-7ers mit dem LMD-Verfahren punktuell für von der Serie abweichende größere Lasten verstärkt. Daraufhin werden für drei Lastfälle Ein-Komponentenprüfungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Verstärkung eine Erhöhung der Lebensdauer von 20 % bis 70 % erreicht werden kann. Dafür reicht unter Umständen die Substitution von Gussmaterial durch LMD-generiertes Material aus. Eine Betrachtung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens anhand dieser Bauteilmodifikation zeigt, dass Personal- und Maschinenkosten auch bei wechselnder Stückzahl den größten Anteil an den Gesamtkosten ausmachen.