Charakterisierung von Metallpulvern für die additive Fertigung

Additive Fertigung (AM), auch allgemein als 3D-Druck bezeichnet, ist der Prozess, bei dem aus dem Nichts eine dreidimensionale Struktur oder Komponente aufgebaut wird, in der Regel Schicht für Schicht. Es gibt sieben Hauptkategorien von additiven Fertigungsverfahren, wie vom ASTM-Komitee F42 für Additive Manufacturing Technologies definiert. Einer der am schnellsten wachsenden AM-Prozesse ist Powder Bed Fusion, bei dem eine Pulverschicht auf einer Bauplattform aufgebracht und ein Laser- oder Elektronenstrahl verwendet wird, um das Pulver selektiv zu schmelzen oder zu verschmelzen. Nach dem Schmelzen wird die Plattform abgesenkt und der Prozess Schicht für Schicht wiederholt, bis der Aufbau abgeschlossen ist. Nicht verschmolzenes Pulver wird aus der Baukammer entfernt und je nach Zustand in der Regel recycelt. Metallpulver sind die am häufigsten verwendeten Materialien, obwohl auch Keramik- und Polymerpulver weit verbreitet sind.

Die Effizienz von additiven Fertigungsverfahren im Pulverbett und die Qualität der fertigen Bauteile hängen in hohem Maße vom Fließverhalten und der Packungsdichte der Pulver ab. Die Partikelgröße beeinflusst diese Eigenschaften direkt und ist daher eine zentrale Spezifikation für in diesem Verfahren verwendete Pulver; die optimale Partikelgröße beträgt 15-45 μm für Selective Laser Melting (SLM) und 45-106 μm für Electron Beam Melting (EBM). Partikelform und die Verteilung der Partikelformen beeinflussen ebenfalls, wie Pulver fließen und sich packen, und sind daher ein weiterer wichtiger Indikator für die Pulverqualität.

Die Laserbeugung ist eine etablierte Technik zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung von Metallpulvern (ASTM B822) und funktioniert durch Messung der Winkelvariation des gestreuten Lichts, während ein Laserstrahl durch eine Dispersion des Metallpulvers geleitet wird. Sie ist eine schnelle, hochdurchsatzfähige und hochauflösende Technik, die es ermöglicht, alle Größenfraktionen im Metallpulver, einschließlich des Feinanteils, zu quantifizieren, wie unten gezeigt.

Die Laserbeugung geht davon aus, dass alle Partikel kugelförmig sind. Sie liefert daher zwar hochauflösende Größendaten (basierend auf einer äquivalenten Kugelgröße), aber keine Informationen über die Form. Eine ergänzende Technik zur Laserbeugung ist die automatisierte Bildgebung, bei der Einzelpartikelbilder erfasst und analysiert werden, um Partikelgröße, Partikelform und andere physikalische Eigenschaften zu bestimmen. Statistisch repräsentative Verteilungen können durch die Messung von 10en bis 100en Tausenden Metallpartikeln pro Messung erstellt werden. Mithilfe fortschrittlicher Bildanalysealgorithmen können Partikel dann entsprechend ihrer Oberflächenrauheit, Unregelmäßigkeit und dem Vorhandensein von Satelliten klassifiziert werden, wie unten dargestellt.

Der Mastersizer 3000 (Laserbeugung) und der Morphologi 4 (automatisierte Bildgebung) von Malvern Panalytical sind marktführende Technologien, die in diesem Sektor zunehmend eingesetzt werden, um:

• eine gleichbleibende Pulverversorgung sicherzustellen und Schwankungen in der Qualität des Endprodukts zu verhindern
• geeignete Pulver für Maschinen mit unterschiedlichen Verteilungs- oder Rechendesigns zu identifizieren
• die Bedingungen der Zerstäubung zu optimieren, um die gewünschten Pulvereigenschaften zu erreichen
• die Packungsdichte und Fließeigenschaften des Pulvers vorherzusagen und zu optimieren
• Veränderungen der Pulvereigenschaften während der Verarbeitung und des Recyclings zu verfolgen