Rosswag GmbH
August-Roßwag-Str. 1
76327 Pfinztal
Der Schutz der Umwelt sowie die Ressourcenschonung sind einige der wichtigsten Herausforderungen der Zukunft. Ein Ansatz Umwelt und Ressourcen zu schonen, bietet sich durch den gezielten Einsatz von additiver Fertigung für z. B. den Leichtbau im Automobil-, Luft- und Raumfahrtsektor. Ein praktisches Beispiel hierfür sind topologieoptimierte Bauteile. Diese zeichnen sich durch Reduktion der Bauteilmasse bei gleicher Funktionsweise aus. Durch ihre oft komplexe organische Geometrie ist eine konventionelle Fertigung u. U. nicht möglich, weswegen additive Fertigungsprozesse wie Selective-Laser-Melting (L-PBF) oder Laser-Metal-Deposition (LMD) eingesetzt werden. Finden solche Bauteile z. B. im Automobil oder Flugzeug Anwendung, erzielen Sie einen doppelten Mehrwert. Neben dem niedrigeren Materialeinsatz bei der Herstellung verringern sie zusätzlich den Energieverbrauch der Fahrzeuge durch weniger Gewicht.
Das Potential von L-PBF hinsichtlich der Ressourcen- und Energieeffizienz ist zurzeit bei Weitem noch nicht ausgeschöpft. Bauteile müssen zum Teil auf Grund prozessbedingter Poren und den damit verminderten mechanischen Eigenschaften mit energieintensiven Verfahren wie dem heißisostatischem Pressen (HIP) nachbehandelt werden. Des Weiteren werden lediglich ~60 % des für den Prozess erzeugten Pulvers aufgrund von Größenbeschränkungen tatsächlich verwendet.
In der Praxis werden im L-PBF-Prozess Partikel mit einer Größe von 15 - 45 μm oder 20 - 63 μm und möglichst hoher Sphärizität – Zwecks besserer Fließeigenschaften beim Beschichtungsvorgang eingesetzt. Jedoch bewegt sich das Spektrum an Partikelgrößen bei der Herstellung abhängig vom Prozess (z. B. VIGA) in einem Bereich von 0-200μm. Ein großer Teil des Pulvererzeugnisses wird dem entsprechend nicht im L-PBF-Prozess verwendet. Mit einer möglichen Ausweitung der nutzbaren Kornfraktion anstelle des Wiedereinschmelzens könnte ein weiterer, komplexer und sehr energieintensiver Herstellungsschritt, entfallen. Auch würde sich die Menge an Überkorn-Material, die aus wirtschaftlichen Gründen direkt entsorgt werden, verringern. Damit sind deutliche Energie- und somit Treibhausgaseinsparungen möglich. Eine Ausweitung der nutzbaren Pulvergrößenfraktion von 30 % würde bei ~5000t/a Pulververbrauch der L-PBF-Industrie und 17 kWh/kg Pulver Energieeinsatz beim Verdüsen zu einer Energieersparnis von ~25,5 GWh jährlich führen. Gerechnet mit der Zusammensetzung des deutschen Strommixes und der daraus resultierenden 401 g CO2/kWh Strom ergibt das eine jährliche CO2-Ersparnis von ~10.200 t. Die prognostizierte Pulverbedarfsentwicklung bis zum Jahr 2024 von ~18.000 t/a bekräftigt zusätzlich den Handlungsbedarf speziell im Rahmen der Ressourceneffizienz. Fällt die CO2-Ersparnis im Zuge des Einsatzes von erneuerbaren Energien nicht mehr ins Gewicht werden immer noch potenziell ~5.500 t Material pro Jahr eingespart.
Ziel des Projektes ist es die Bauteildichten und Ausbeute bei der Pulverherstellung durch geschicktes Optimieren der Pulverfraktionen des eingesetzten Pulvers im L-PBF-Prozess zu erhöhen. Durch eine verbesserte Materialausbeute und erhöhte Bauteildichte werden das erneute Einschmelzen des Ausschusspulvers sowie Bauteilbehandlungen wie HIP und der damit verbundene hohe Energieaufwand eingespart. Dazu werden bi- und trimodale Pulverkonfigurationen und im Gesamten breitere Kornfraktionen verwendet, die zu einem dichteren Pulverbett und damit zu einem dichteren Bauteil sowie einer besseren Pulverausnutzung führen sollen.
Der Projektablauf unterteilt sich in zwei Hauptarbeitspakete:
1. Pulverkonfiguration und Voruntersuchungen
2. Bauteilherstellung und Analyse
Im Zuge des ersten Arbeitspaketes werden die Herstellung des zu untersuchenden Pulvers durch den Projektpartner, sowie alle für den Projektverlauf notwendigen Voruntersuchungen behandelt. Ziel ist die Schaffung einer soliden Datenbasis, um einen gezielten Vergleich und Transfer der Untersuchungen für Dritte zu gewährleisten.
AP 1.1: Pulverherstellung
Das Pulver für die anstehenden Untersuchungen wird durch den Projektpartner Rosswag Engineering (RE) mittels etablierter Inertgas-Verdüsungstechnik hergestellt. Neben der Sichtung einer für L-PBF typischen Pulvergrößenfraktion (15-63µm) werden verschieden feine Fraktionen für die spätere Konfiguration von bi- und trimodalen Pulvern gesichtet.
AP 1.2: LCA Analyse Pulver- und Partikelgrößenherstellung L-PBF-Prozess – HIP-Prozess
Um Einsparpotentiale bezüglich CO2-Emissionen des Vorhabens genauer einschätzen zu können, wird zunächst eine Life-Cycle-Analyse von L-PBF-Bauteilen mit anschließender HIP-Behandlung durchgeführt. Ziel ist es eine parametrisierte Analyse zu entwerfen, um die von Standards abweichenden Prozessparameter der Untersuchungen und deren Einfluss auf die LCA-Analyse bewerten zu können. Dazu zählen z. B. der Mehraufwand durch die aufwendigere Fraktionierung der Pulvermischungen, abweichende L-PBF-Prozessparameter sowie Nachbehandlungsmethoden der L-PBF-Bauteile.
AP 1.3: Bestimmung der Morphologie und Partikelgrößenverteilung der verschiedenen Pulverkonfigurationen
Das verwendete Pulver wird hinsichtlich seiner Morphologie durch Aufnahmen mittels Rasterelektronenmikroskop (REM) charakterisiert. So kann sichergestellt werden, dass das im Projekt verwendete Pulver die Anforderung an Partikelrundheit und damit grundlegender Fließfähigkeit erfüllt. Des Weiteren werden die Partikelgrößenverteilung der Standard-L-PBF-Fraktion und der einzelnen Sekundärfraktionen für die Pulverkonfiguration mittels dynamischer Bildanalyse untersucht. Diese Werte dienen als Grundlage für spätere Versuchsauswertungen.
AP 1.4: Porositätsanalyse der verschiedenen Pulverkonfigurationen
Ein möglicher Einflussfaktor auf Bauteilergebnisse könnte neben den rein morphologischen Gesichtspunkten wie Form und Größe die Porosität der Partikel des Pulvers sein. Hierfür werden auflichtmikroskopische Aufnahmen von Trennschliffen sowie Röntgenaufnahmen zur Bestimmung der Partikelporosität erstellt. So kann ein möglicher Unterschied in der Partikelporosität der einzelnen Partikelkonfigurationen erfasst und mit den Bauteilergebnissen korreliert werden.
AP 2.1: Aufbauen einer Pulverbeschichtungs- Prüfanlage
Um den Einfluss der verschiedenen Pulverkonfigurationen auf Pulverbettdichte und Beschichtungsqualität untersuchen zu können wird im Rahmen des Projektes ein anforderungsgerechter Prüfstand am LiA entwickelt und umgesetzt. Ausgangspunkt für diesen Prüfstand ist die bestehende Maschinentechnik der Fa. Rosswag. Die Erfahrungen des Projektpartners werden genutzt, um den Prüfstand an das Projektvorhaben anzupassen und sinnvolle Ergänzungen, welche sich aus dem vergangenen Betrieb bei Fa. Rosswag ergeben haben zu implementieren.
AP 2.2: Parameterstudie Pulverbettdichte mit verschiedenen Pulverkonfigurationen und Standardpulver
Um die zentrale These dieses Projektes zu validieren – dichteres Pulverbett = dichtere Bauteile – werden zunächst Parameterstudien zur Einflussanalyse auf die Pulverbettdichte durchgeführt. Neben der Konfiguration der bi- und trimodalen Pulver werden ebenfalls die Dicke der aufgetragenen Schicht, die Beschichtungsgeschwindigkeit und das verwendete Beschichtersystem innerhalb der Studie variiert. Als prominente Vertreter aktueller Beschichtersysteme werden Systeme von SLM-Solutions und DMG-MORI für die Untersuchungen ausgewählt.
AP 2.3: Parameterstudie Bauteilherstellung mit verschiedenen Pulverkonfigurationen und Standardpulver
Ziel dieses Arbeitspaketes ist die Identifizierung der restlichen L-PBF-Prozessparameter, um Bauteile mit möglichst hoher relativer Dichte und mechanischen Kennwerten zu fertigen. Um eine möglichst hohe Aussagekraft der Untersuchungsergebnisse zu erzielen, wird bei den Untersuchungen ebenfalls die statistische Versuchsplanung genutzt. Es werden Parameterstudien mit den in AP 2.2 erarbeiteten Pulverkonfigurationen sowie eine Vergleichsstudie mit L-PBF-Standardpulverfraktion des gleichen Materials durchgeführt.
AP 2.4: Analyse, Vergleich und Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse
Im letzten Arbeitspaket werden alle Untersuchungsergebnisse analysiert und Vergleiche zwischen Standardpulver und den neuen Konfigurationen angestellt.
Um Einsparpotentiale bezüglich CO2-Emissionen des Vorhabens genauer einschätzen zu können, wurde zunächst eine Life-Cycle-Analyse von L-PBF-Bauteilen mit anschließender HIP-Behandlung durchgeführt. Mit Erhöhung des Anteils, des für den L-PBF-Prozess nutzbaren Pulvers, sinkt quadratisch das gesamte Treibhauspotential der beiden Produktionsketten. Im Rahmen dieser Ökobilanz wird das Treibhauspotential um mindestens 18,4 % verringert, wenn das gesamte, in der Pulverzerstäubungsphase hergestellte, Pulver im L-PBF-Prozess verwendet wird. Bei gleichem Pulververhältnis ist das Treibhauspotential der Produktionskette mit Pulverrezyklierung geringer als das ohne Pulverrezyklierung. Des Weiteren nimmt das Treibhauspotential der Stahlherstellungsphase in der Produktionskette ohne Pulverrezyklierung mit der Ausweitung der Pulverkornfraktion quadratisch ab, während das Treibhauspotential der Stahlherstellungsphase in der Produktionskette mit Pulverrezyklierung konstant bleibt. In der Pulverherstellungsphase verringert sich das Treibhauspotential in beiden Prozessketten quadratisch. Das Treibhauspotential im L-PBF-Prozess wird nicht durch die Erweiterung der Pulverklassifizierung und die Auswahl der Produktionskette, sondern durch die Bauhöhe des Produkts beeinflusst. Je höher das Produkt ist, desto länger dauern der L-PBF-Prozess und der damit verbundene Grundenergieumsatz an. Dies führt dazu, dass mehr CO2-Äquivalent zur Herstellung des höheren Produkts freigesetzt wird. Es lässt sich folgern, dass ein flaches Bauteil bzw. eine möglichst niedrige Bauhöhe den Energieverbrauch begünstigt, d. h., dass Bauteile z. B. schon durch horizontales Ausrichten im Bauraum energieoptimiert gebaut werden. Das Treibhauspotential in der HIP-Phase ist unverändert geblieben.
Im Weiteren wurde die Beschichtbarkeit von Pulvern unterschiedlicher Größenverteilungen untersucht. Dazu wurde zuerst eine Prüfvorrichtung entwickelt bzw. erweitert, die den Beschichtungsablauf einer L-PBF-Anlage nachstellt. Es wurde ein automatischer Öffnungsmechanismus hinzugefügt. Dieser ermöglicht einen Versuchsablauf mit verringertem Kontakt zum Pulver und ein reproduzierbares Ergebnis durch immer gleichbleibende Bedingungen beim Öffnen des Pulvervorratsbehälters. Durch eine Doppelung des Pulverbehälters mit Öffnungsmechanismus ist die bidirektionale Beschichtung möglich. Dadurch ist der Beschichtungsversuch näher an die Beschichtung in einer PBF-LB-Anlage herangeführt worden. Ebenfalls wurde die Vorrichtung mit einer Kamera mit Halterung und einer festangebrachten Beleuchtung erweitert. Die Funktionen bilden den Beschichtungsablauf genauer ab und liefern vergleichbare Ergebnisse. Die dazu gehörige Bildanalyse wurde softwareseitig erschlossen. Zur Überprüfung der neuen Funktionen wurden Testversuche mit Standardpulver aus dem herkömmlichen PBF-LB-Prozess durchgeführt.
Durch die Messung der Pulverbettdichte unter Variation definierter Faktoren, wurde ein Prozessfenster erarbeitet. Für den Einfluss der Parameter: Beschichtergeschwindigkeit, Beschichtertyp, Schichtdicke, Position im Pulverbett und Pulverwerkstoff wurde eine Modellierung erstellt, welche die wichtigsten Größen darstellte. Im Rahmen der Versuche wurden multimodale Pulvermaterialien mit industrietypischem Pulver verglichen. Dabei wurde festgestellt, dass sich multimodale Pulver für den Beschichtungsvorgang eignen und ein homogenes Pulverbett erzeugen können. Einen großen Einfluss auf die Beschichtungsresultate hat dabei die Fließfähigkeit der Pulvermaterialien. Die besten Ergebnisse konnten mit dem Benchmark-Pulver (20-50 μm) erzielt werden. Das Pulver wurde als leicht fließend charakterisiert und besaß mit 54,1 %, die niedrigste Dichte. Das trimodale Pulver erzielte die zweitbesten Ergebnisse. Es besteht aus drei Pulverfraktionen mit einem Größenverhältnis von 1: 2,1: 5,5 und einem Mischungsanteil von 58 % Grobanteil, 28 % mittlerer Pulvergröße und 13 % Feinanteil. Die relative Dichte konnte im Vergleich zum Benchmark-Pulver um 1,5 % gesteigert werden, bei ebenfalls leicht fließender Charakteristik. Eine Entmischung des Materials auch bei höheren Geschwindigkeiten konnte nicht festgestellt werden. Das trimodale Pulver wurde dabei aus Größenfraktionen vermischt, die üblicherweise in der Industrie keine Anwendung finden. Dieses Projekt soll einen Beitrag leisten, bisher unbenutzte Pulvergrößenfraktionen durch Mischprozesse zu verarbeitbarem Pulver zu erstellen. Dadurch können bisher der Entsorgung oder dem Recycling zugeführte Pulvermaterialien kommerziell nutzbar werden. Die zu produzierende Menge an Pulver kann dadurch gesenkt werden, sodass es zu einer Reduktion der Emissionen und des Rohstoffbedarfs während der Pulverherstellung kommt. Die im trimodalen Pulver verwendeten Größenfraktionen besitzen das Potenzial die Menge an verwendbarem Pulver von bisher 60 % auf über 85 % zu steigern. Dadurch ließen sich CO2-Emissionen von über 60 kt und über 150 GWh elektrischer Strom/Jahr einsparen.
Rosswag wird die erzielten Erkenntnisse und Ergebnisse, über die bei Rosswag zu Marketingzwecken eingesetzten Social-Mediakanäle promoten; dies geschieht vor allem in Verbindung zum rosswageigenen Patent für ein ganzheitliches Pulveraufbereitungssystem, dass durch die erlangten Ergebnisse synergetisch besser beworben werden kann. Hier ist Rosswag bereits im Austausch mit möglichen Partnern zur Entwicklung einer Serienanlage. Die gewonnenen Erkenntnisse können genutzt werden, um die Mehrwerte und verschiedenen Bereiche darzustellen. Zudem fließen die Ergebnisse in den Dienstleistungsbereich zur Qualifizierung neuer Werkstoffe ein, in dem besonders die Beschichtungsbetrachtung und die kundenspezifische Einstellung der Partikelgröße einen zusätzlichen Benefit darstellen.
Darüber hinaus werden Teile der Ergebnisse in Fachvorträgen auf entsprechenden Messen von Rosswag veröffentlicht. Geplant sind außerdem Veröffentlichungen durch die Universität Paderborn zu den Themenbereichen: Pulverrecycling, Pulverkonfigurationen, Nachhaltigkeit des L-PBF Prozesses.
Der Beschichtungsprozess beim L-PBF-Verfahren besitzt aufgrund der Beeinflussung der Pulverbetteigenschaften eine direkte Wechselwirkung mit den Bauteileigenschaften. Die Steigerung der Pulverbettdichte zeigte in bisherigen Studien eine deutliche Reduzierung der Poren im Bauteil. Unter Variation der Parameter Beschichtergeschwindigkeit, Beschichtertyp, Schichtdicke, Position auf dem Pulverbett und verwendetes Pulvermaterial wurden Beschichtungsversuche auf zwei eigens entwickelten Prüfständen durchgeführt mit dem Ziel die Pulverbettdichte zu steigern. Betrachtet wurden dabei multimodale Pulversysteme, die eine höhere Schüttdichte aufweisen als gaußverteile Pulver. Bi- und trimodale Pulver wurden angemischt und konnten die Schüttdichte um 4,4 % bzw. 1,5 % erhöhen. Das getestete bimodale Pulver wies ein kohäsives Fließverhalten auf und konnte bei den Untersuchungen kein homogenes Pulverbett erzeugen. Für die Pulvermischungen wurden ungenutzte Fraktionen benutzt, welche die Materialeffizienz signifikant erhöhen können. Das trimodale Pulver wurde im Anschluss im L-PBF Prozess durch eine Optimierung der Prozessparameter eingesetzt, welches zu vergleichbaren Ergebnissen zur Standardpulverfraktion geführt hat. Dichten von 99,94 % und vergleichbare mechanische Eigenschaften aus Zugversuchen konnten erzielt werden.
Ein konkretes Beispiel für ein weiteres, konsequent auf dieses Projekt aufbauende Forschungsprojekt, ist die Untersuchung zusätzlicher Möglichkeiten der Ressourcen- und Energieeffizienzsteigerung im L-PBF-Prozess durch prozessübergreifenden Einsatz von Ausschuss- und Abfallpulver.
Auf Seiten des KMUs dienen die Projektergebnisse als Basis für die Weiterentwicklung des aus dem Patent Nr. DE 10 2017 009 833 B3 entstehenden Produktes zur L-PBF-Pulveraufbereitung. Das Projekt-Know-How bietet Rosswag darüber hinaus einen Wissensvorsprung gegenüber der Konkurrenz.