Diese Arbeit behandelt einen Teilbereich der Lasermaterialbearbeitung und setzt sich speziell mit den Grundlagen der Laserscanner-basierten Oberflächenglättung von SLM-Stahl 1.4404 auseinander. Zunächst wird auf den verwendeten Werkstoff, den SLM-Prozess und die SLM-Bauteile eigegangen und der experimentelle Aufbau beschrieben und dargelegt, bevor auf die eigentliche Durchführung der Versuchsreihen sowie deren Auswertung eingegangen wird. Aufgrund der Tatsache das es sich bei der Technologie des Laserpolierens um ein relativ neuartiges Fertigungsverfahren handelt und in diesem Forschungsfeld großer Forschungsbedarf besteht, wurde dieses Fertigungsverfahren Gegenstand meiner Untersuchungen und Inhalt der Ihnen vorliegenden Arbeit. Im speziellen wird der Anwendungsfall mit dem SLM-Werkstoff 1.4404 untersucht.
Die Geometrie der Versuchsproben wird an der SLM-Maschine aufgebaut. Es werden für die SLM-Werkstoff 1.4404 jeweils zwei Versuchsreihen durchgeführt. Diese Versuchsreihen untersuchen die Machbarkeit des Laserpolierens bzw. Makropolierens mittels 1D- Laserscanner in Abhängigkeit des verwendeten Werkstoffes. Durch die Betrachtung der einzelnen Versuchsreihen können Aussagen darüber getroffen werden, durch welche Parameterkombinationen die besten Bearbeitungsergebnisse in Abhängigkeit zur Baurichtung der SLM-Proben erzielt werden können bzw. wie sich die verschiedenen Parametereinstellungen auf die Politurergebnisse auswirken.
Des Weiteren wird der Einfluss mehrfacher Überfahrten (von n=1 bis n=4) auf die Polierergebnisse untersucht. Dabei wurden ebenfalls beide Baurichtungen des SLM-Werkstoffes 1.4404 zur Untersuchung herangezogen. Diese Untersuchungen wurden sowohl mit kontinuierlicher (cw) als auch mit gepulster (pw) Laserstrahlung durchgeführt. Hierbei wurde die Oberflächenglättung der jeweiligen Parameter in Abhängigkeit steigender Anzahl an Überfahrten n untersucht. In dieser Versuchsreihe wurden darüber hinaus Schliffpräparationen (Querschliffe der einzelnen Polierfelder) angefertigt, um die Umschmelztiefe zu detektieren und einen möglichen Zusammenhang zwischen Umschmelztiefe, Polierergebnis (Ra-Wert) und Anzahl der Überfahrten n zu Untersuchen und darzustellen.
Abschließend wurde in den Umschmelzzonen eine Härtemessung auf den Querschliffen der Versuchsproben durchgeführt, um einen prozessbedingten Einfluss auf die Härte des Werkstoffes zu untersuchen.
Inhaltsverzeichnis
- Vorwort
- Kurzfassung
- Abstract
- Inhaltsverzeichnis
- Abbildungsverzeichnis
- Tabellenverzeichnis
- Abkürzungsverzeichnis
- 1 Einleitung und Aufgabenstellung
- 2 Stand der Technik
- 2.1 Konventionelle Polierverfahren
- 2.2 Grundsätzliches Funktionsprinzip und wichtige Kenngrößen der Lasermaterialbearbeitung
- 2.2.1 Makropolieren
- 2.2.2 Mikropolieren
- 2.2.3 Makro- und Mikropolieren im Überblick
- 2.3 Oberflächenkennwerte
- 3 Stand der Wissenschaft
- 4 Experimenteller Aufbau
- 4.1 Generierung der Versuchsproben
- 4.1.1 Verwendeter Werkstoff SLM-Pulver 1.4404
- 4.1.2 Technische Daten der verwendeten SLM-Maschine
- 4.1.3 Herstellungsprozess der SLM-Proben
- 4.1.4 Geometrie und Aufbauorientierung der SLM-Versuchsproben
- 4.2 Vorbereitung und Reinigung der Versuchsproben
- 4.3 Laser und Laserstrahlquelle
- 4.4 Verwendeter Laserscanner
- 4.5 Prozesskammer und Restsauerstoffmessgerät
- 4.6 Laserpolierstrategie und Polierorientierung
- 4.7 Schliffpräparation
- 4.7.1 Trennstrategie und Entnahme der Versuchsproben
- 4.7.2 Metallographische Präparation von Schliffen
- 4.8 Analyse- und Messmethoden zur Ermittlung der Rauheitskennwerte
- 4.8.1 Taktiles Messverfahren mit dem MarSurf M 400
- 4.8.1.1 Messstrategie zur Ermittlung der Ausgangrauheit
- 4.8.1.2 Messstrategie zur Ermittlung der Polierfeld-Rauheit
- 4.8.2 Optisches Analyseverfahren
- 4.8.3 Mikroskop Zeiss Axio Zoom.V16
- 4.9 Analyse- und Messmethode zur Ermittlung der Umschmelztiefe
- 4.9.1 Zeiss Axioplan 2 Imaging
- 4.9.2 Messstrategie zur Ermittlung der Umschmelztiefe
- 4.10 Analyse- und Messmethode zur Ermittlung der Werkstoffhärte
- 4.10.1 Härteprüfmaschine
- 4.10.2 Prüfverfahren und Messstrategie zur Ermittlung der Werkstoffhärte
- 5 Rauheitskennwerte der Ausgangsproben
- 5.1 Bauorientierung quer zur Gasstromrichtung
- 5.1.1 Rauheitskennwerte der Ausgangsproben parallel Achsvorschub und Bauschichten
- 5.1.2 Rauheitskennwerte der Ausgangsproben in Schichtaufbaurichtung
- 5.2 Bauorientierung in Gasstromrichtung
- 5.2.1 Rauheitskennwerte der Ausgangsproben Parallel zu Achsvorschub und Bauschichten
- 5.2.2 Rauheitskennwerte der Ausgangsproben in Schichtaufbaurichtung
- 5.3 Der Gauß-Filter
- 6 Versuchsplanung bei einfacher Überfahrt
- 6.1 Verwendete Parameter beim Laserpolieren im cw-Betrieb
- 6.2 Verwendete Parameter beim Laserpolieren im pw-Betrieb
- 7 Versuchsplanung bei mehrfacher Überfahrt
- 7.1 Verwendete Parameter beim Laserpolieren im cw-Betrieb
- 7.1.1 Bauorientierung quer zur Gasstromrichtung
- 7.1.2 Bauorientierung in Gasstromrichtung
- 7.2 Verwendete Parameter beim Laserpolieren im pw-Betrieb
- 7.2.1 Bauorientierung quer zur Gasstromrichtung
- 7.2.2 Bauorientierung in Gasstromrichtung
- 7.3 Versuchsdurchführung und grundsätzlicher Versuchsablauf
- 8 Ergebnisse und Diskussion
- 8.1 Parameterstudie im cw-Betrieb bei einfacher Überfahrt
- 8.1.1 Bauorientierung quer zur Gasstromrichtung
- 8.1.1.1 Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten
- 8.1.1.2 Messrichtung in Pendel- und Schichtaufbaurichtung
- 8.1.1.3 Messrichtungsübergreifender Vergleich bei Baurichtung quer zur Gasstromrichtung
- 8.1.2 Bauorientierung in Gasstromrichtung
- 8.1.2.1 Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten
- 8.1.2.2 Messrichtung in Pendel- und Schichtaufbaurichtung
- 8.1.2.3 Messrichtungsübergreifender Vergleich bei Baurichtung in Gasstromrichtung
- 8.1.3 Bauorientierungsübergreifender Vergleich der Parameterstudie im cw-Betrieb
- 8.2 Parameterstudie im pw-Betrieb bei einfacher Überfahrt
- 8.2.1 Bauorientierung quer zur Gasstromrichtung
- 8.2.1.1 Messrichtung parallel zu den Bauschichten
- 8.2.1.2 Messrichtung in Schichtaufbaurichtung
- 8.2.1.3 Messrichtungsübergreifender Vergleich bei Baurichtung quer zur Gasstromrichtung
- 8.2.2 Bauorientierung in Gasstromrichtung
- 8.2.2.1 Messrichtung parallel zu den Bauschichten
- 8.2.2.2 Messrichtung in Schichtaufbaurichtung
- 8.2.2.3 Messrichtungsübergreifender Vergleich bei Baurichtung in Gasstromrichtung
- 8.2.3 Bauorientierungsübergreifender Vergleich der Parameterstudie im pw-Betrieb
- 8.3 Parameterstudie im cw-Betrieb bei mehrfacher Überfahrt
- 8.3.1 Bauorientierung quer zur Gasstromrichtung
- 8.3.1.1 Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten
- 8.3.1.2 Messrichtung in Pendel- und Schichtaufbaurichtung
- 8.3.1.3 Messrichtungsübergreifender Vergleich bei Baurichtung N quer zur Gasstromrichtung
- 8.3.2 Bauorientierung in Gasstromrichtung
- 8.3.2.1 Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten
- 8.3.2.2 Messrichtung in Pendel- und Schichtaufbaurichtung
- 8.3.2.3 Messrichtungsübergreifender Vergleich bei Baurichtung S in Gasstromrichtung
- 8.3.3 Bauorientierungsübergreifender Vergleich der Parameterstudie im cw-Betrieb
- 8.4 Parameterstudie im pw-Betrieb bei mehrfacher Überfahrt
- 8.4.1 Bauorientierung quer zur Gasstromrichtung
- 8.4.1.1 Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten
- 8.4.1.2 Messrichtung in Pendel- und Schichtaufbaurichtung
- 8.4.1.3 Messrichtungsübergreifender Vergleich bei Baurichtung N in Gasstromrichtung
- 8.4.2 Bauorientierung in Gasstromrichtung
- 8.4.2.1 Messrichtung parallel zu Achsvorschub und Bauschichten
- 8.4.2.2 Messrichtung in Pendel- und Schichtaufbaurichtung
- 8.4.2.3 Messrichtungsübergreifender Vergleich bei Baurichtung in Gasstromrichtung
- 8.4.3 Bauorientierungsübergreifender Vergleich der Parameterstudie im pw-Betrieb
- 8.5 Umschmelztiefen-Analyse
- 8.6 Härteprüfung der Versuchsproben
- 9 Zusammenfassung und Ausblick
- Anhang
- 10 Literaturangaben
- Erarbeitung von Verfahrensgrundlagen für das Laserpolieren von SLM-Stahl 1.4404
- Entwicklung eines robusten Laserpolierprozesses mit hoher Prozesssicherheit
- Optimierung der Prozessparameter für eine möglichst hohe Flächenrate
- Untersuchung des Einflusses der Bauorientierung und der Anzahl an Überfahrten auf die Oberflächengüte
- Analyse der Umschmelztiefe und der Härteentwicklung des Werkstoffs
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Laserscanner-basierten Oberflächenglättung von SLM-Stahl 1.4404. Ziel ist es, das Laserpolieren dieses Werkstoffs zu erforschen und einen robusten Prozess mit hoher Prozesssicherheit und geringer Prozesszeit zu entwickeln. Die Arbeit konzentriert sich dabei auf das Makropolieren mittels 1D-Laserscanner sowohl mit kontinuierlicher als auch mit gepulster Laserstrahlung.
Zusammenfassung der Kapitel
Die Arbeit gliedert sich in verschiedene Kapitel. Zunächst werden konventionelle Polierverfahren und die Funktionsweise des Laserpolierens, sowie wichtige Kenngrößen der Lasermaterialbearbeitung erläutert. Im Anschluss wird der Stand der Wissenschaft zum Laserpolieren von SLM-Stahl beleuchtet und die verschiedenen verwendeten Analyse- und Messmethoden beschrieben.
Die Kapitel 6 und 7 befassen sich mit der Versuchsplanung. Dabei wird ein Parameterfenster für das Laserpolieren sowohl mit kontinuierlicher als auch mit gepulster Laserstrahlung definiert. Die Ergebnisse der Parameterstudien werden in Kapitel 8 detailliert vorgestellt und diskutiert. Hier werden die Ergebnisse der Versuchsreihen mit einfacher Überfahrt und die Ergebnisse der Parameterstudien mit mehrfacher Überfahrt in Abhängigkeit von der Bauorientierung, der Messrichtung und der Anzahl an Überfahrten beschrieben.
Neben der Analyse der Oberflächenrauheit werden auch die Ergebnisse der Umschmelztiefenanalyse und der Härtemessungen in Kapitel 8 diskutiert.
Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse und einem Ausblick auf zukünftige Forschungsarbeiten.
Schlüsselwörter
Laserpolieren, SLM-Stahl, Oberflächenglättung, Makropolieren, 1D-Laserscanner, kontinuierliche Laserstrahlung, gepulste Laserstrahlung, Prozessparameter, Bauorientierung, Anzahl an Überfahrten, Umschmelztiefe, Härteentwicklung, Flächenrate, Prozesssicherheit.
- Quote paper
- Simon Lutz (Author), 2017, Laserscanner-basierte Oberflächenglättung von SLM-Stahl 1.4404, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/415466
