Charakterisierung von Porositäten in Sintermetallen mit 3D-Röntgencomputertomographie zur Ermittlung optimaler Fertigungsparameter beim selektiven Laserschmelzen

Bernhard Plank

Charakterisierung von Porositäten in Sintermetallen mit 3D-Röntgencomputertomographie zur Ermittlung optimaler Fertigungsparameter beim selektiven Laserschmelzen

Translated title of the contribution: Characterization of porosity in sintered metals with 3D X-ray computed tomography to determine optimal production parameters for selective laser melting

Bernhard Plank

Research Center Wels

Research output: Types of Theses › Master's Thesis / Diploma Thesis

Abstract

This thesis investigates the characterization of porosities in sintered metals with 3D X-ray computed tomography (CT) and the improvement of the parameters of a plant in the process of the selective laser melting (SLM), which is used for Rapid Tooling. The analyzed samples were produced with SLM layer by layer out of steel powder with the material number 1.4404 (X2CrNiMo17-12-2). The variation of the parameters in fabrication has a significant influence of the porosity of the components. These parameters include the laser speed, the focus diameter, the overlap of laser-lines, the pattern of laser lines and the layer thickness. Furthermore, the samples were generated with two different types of laser, a Nd:YAG and a fiber laser. The investigation of the porosity was indirectly performed through the gravimetric density determination accordance the Archimedes' principle and directly using CT. CT is a non-destructive method using X-rays and a reconstruction algorithm to determine internal inhomogeneities of a component in a relatively short time. Such inhomogeneities are for example cracks, pores, shrinkage holes, density gradients, which can be visualized in 3D. As a result of this work, diagrams could be drawn, which show the change of the density against the fabrication parameters based on the CT data and the analysis of the gravimetric density determination. Furthermore, 3D-visualizations of the inner pore structures, which were verified with micrographs by target metallography, are shown. The accuracy of CT-evaluation is in absolute terms ±0.5 % porosity, which yields a component density in the used material of ±0.04 g/cm³. When comparing the density using CT with the determined gravimetric density, a standard deviation of ±0.027 g/cm³ was observed. With optimized parameters, the Nd:YAG and fiber lasers reached densities of 7.903 g/cm³ and 7.864 g/cm³ respectively. In order to further improve the SLM process, it must first be determined to what extent the findings of this work can be applied to other materials. Moreover, it would be interesting to investigate how higher material densities might affect mechanical properties such as elongation and toughness.

Translated title of the contribution	Characterization of porosity in sintered metals with 3D X-ray computed tomography to determine optimal production parameters for selective laser melting
Original language	German
Publication status	Published - 2008

Keywords

CT
Röntgen-Computertomografie
Lasersintern

Cite this

@mastersthesis{9a3e4c1fabc4439892185cecf76ec2d1,

title = "Charakterisierung von Porosit{\"a}ten in Sintermetallen mit 3D-R{\"o}ntgencomputertomographie zur Ermittlung optimaler Fertigungsparameter beim selektiven Laserschmelzen",

abstract = "Diese Diplomarbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Charakterisierung von Porosit{\"a}ten in Sintermetallen mittels 3D-R{\"o}ntgencomputertomographie (CT) und der Parameteroptimierung einer Anlage f{\"u}r das selektive Laserschmelzen (SLM), die f{\"u}r „Rapid Tooling“ eingesetzt wird. Die untersuchten Proben wurden aus Stahlpulver, welches der Werkstoffnummer 1.4404 (X2CrNiMo17-12-2) entspricht, Schicht f{\"u}r Schicht mittels SLM generiert. Bei der Fertigung k{\"o}nnen die Lasergeschwindigkeit, der Fokusdurchmesser, die {\"U}berlappung, die Schraffurart und die Schichtdicke als einzelne Parameter variiert werden, welche die Bauteilporosit{\"a}ten ma{\ss}geblich beeinflussen. Die Proben wurden mit zwei Lasertypen, einem Nd:YAG und einem Faser-Laser hergestellt. Die Porosit{\"a}t wurde indirekt {\"u}ber die gravimetrische Dichtebestimmung nach dem Archimedischen Prinzip und direkt mittels CT bestimmt. Bei der CT handelt es sich um eine zerst{\"o}rungsfreie Methode die mittels R{\"o}ntgenstrahlung und einem entsprechenden Rekonstruktionsalgorithmus in relativ kurzer Zeit innere Bauteil- inhomogenit{\"a}ten wie z.B. Risse, Lunker, Poren, Material{\"u}berg{\"a}nge und Dichteunterschiede erfassen und dreidimensional darstellen kann. Als Ergebnis dieser Arbeit konnte anhand der CT-Datenauswertung sowie f{\"u}r die gravimetrische Dichtebestimmung ein fertigungsparameterabh{\"a}ngiger Dichteverlauf in den unterschiedlichen Proben festgestellt werden. Auf Basis der CT-Ergebnisse erfolgten 3D-Darstellungen der inneren Porenstrukturen, welche mittels metallographischen Zielpr{\"a}parationen verifiziert wurden. Die Genauigkeit der CT-Auswertung liegt absolut betrachtet bei etwa ±0,5 % Porosit{\"a}t, was umgerechnet auf die Bauteildichte des verwendeten Materials ±0,04 g/cm³ bedeutet. Beim Vergleich der Dichtebestimmung mittels CT mit der gravimetrischen Dichtebestimmung wurden Abweichung von ±0,027 g/cm³ beobachtet. F{\"u}r den Nd:YAG-Laser wurde mit optimierten Parametern eine Dichte von 7,903 g/cm³ und mit dem Faser-Laser eine Dichte von 7,864 g/cm³ erreicht. Zur weiteren Optimierung des SLM-Prozesses muss {\"u}berpr{\"u}ft werden, wie die Erkenntnisse aus dieser Arbeit auf ein anderes Material {\"u}bertragen werden k{\"o}nnen. Au{\ss}erdem soll untersucht werden, wie sich die h{\"o}heren Dichten auf Werkstoffeigenschaften wie der Bruchdehnung und der Z{\"a}higkeit auswirken.",

keywords = "CT, R{\"o}ntgen-Computertomografie, Lasersintern, CT, R{\"o}ntgen-Computertomografie, Lasersintern",

author = "Bernhard Plank",

year = "2008",

language = "Deutsch",

}

TY - THES

T1 - Charakterisierung von Porositäten in Sintermetallen mit 3D-Röntgencomputertomographie zur Ermittlung optimaler Fertigungsparameter beim selektiven Laserschmelzen

AU - Plank, Bernhard

PY - 2008

Y1 - 2008

N2 - Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Porositäten in Sintermetallen mittels 3D-Röntgencomputertomographie (CT) und der Parameteroptimierung einer Anlage für das selektive Laserschmelzen (SLM), die für „Rapid Tooling“ eingesetzt wird. Die untersuchten Proben wurden aus Stahlpulver, welches der Werkstoffnummer 1.4404 (X2CrNiMo17-12-2) entspricht, Schicht für Schicht mittels SLM generiert. Bei der Fertigung können die Lasergeschwindigkeit, der Fokusdurchmesser, die Überlappung, die Schraffurart und die Schichtdicke als einzelne Parameter variiert werden, welche die Bauteilporositäten maßgeblich beeinflussen. Die Proben wurden mit zwei Lasertypen, einem Nd:YAG und einem Faser-Laser hergestellt. Die Porosität wurde indirekt über die gravimetrische Dichtebestimmung nach dem Archimedischen Prinzip und direkt mittels CT bestimmt. Bei der CT handelt es sich um eine zerstörungsfreie Methode die mittels Röntgenstrahlung und einem entsprechenden Rekonstruktionsalgorithmus in relativ kurzer Zeit innere Bauteil- inhomogenitäten wie z.B. Risse, Lunker, Poren, Materialübergänge und Dichteunterschiede erfassen und dreidimensional darstellen kann. Als Ergebnis dieser Arbeit konnte anhand der CT-Datenauswertung sowie für die gravimetrische Dichtebestimmung ein fertigungsparameterabhängiger Dichteverlauf in den unterschiedlichen Proben festgestellt werden. Auf Basis der CT-Ergebnisse erfolgten 3D-Darstellungen der inneren Porenstrukturen, welche mittels metallographischen Zielpräparationen verifiziert wurden. Die Genauigkeit der CT-Auswertung liegt absolut betrachtet bei etwa ±0,5 % Porosität, was umgerechnet auf die Bauteildichte des verwendeten Materials ±0,04 g/cm³ bedeutet. Beim Vergleich der Dichtebestimmung mittels CT mit der gravimetrischen Dichtebestimmung wurden Abweichung von ±0,027 g/cm³ beobachtet. Für den Nd:YAG-Laser wurde mit optimierten Parametern eine Dichte von 7,903 g/cm³ und mit dem Faser-Laser eine Dichte von 7,864 g/cm³ erreicht. Zur weiteren Optimierung des SLM-Prozesses muss überprüft werden, wie die Erkenntnisse aus dieser Arbeit auf ein anderes Material übertragen werden können. Außerdem soll untersucht werden, wie sich die höheren Dichten auf Werkstoffeigenschaften wie der Bruchdehnung und der Zähigkeit auswirken.

AB - Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Porositäten in Sintermetallen mittels 3D-Röntgencomputertomographie (CT) und der Parameteroptimierung einer Anlage für das selektive Laserschmelzen (SLM), die für „Rapid Tooling“ eingesetzt wird. Die untersuchten Proben wurden aus Stahlpulver, welches der Werkstoffnummer 1.4404 (X2CrNiMo17-12-2) entspricht, Schicht für Schicht mittels SLM generiert. Bei der Fertigung können die Lasergeschwindigkeit, der Fokusdurchmesser, die Überlappung, die Schraffurart und die Schichtdicke als einzelne Parameter variiert werden, welche die Bauteilporositäten maßgeblich beeinflussen. Die Proben wurden mit zwei Lasertypen, einem Nd:YAG und einem Faser-Laser hergestellt. Die Porosität wurde indirekt über die gravimetrische Dichtebestimmung nach dem Archimedischen Prinzip und direkt mittels CT bestimmt. Bei der CT handelt es sich um eine zerstörungsfreie Methode die mittels Röntgenstrahlung und einem entsprechenden Rekonstruktionsalgorithmus in relativ kurzer Zeit innere Bauteil- inhomogenitäten wie z.B. Risse, Lunker, Poren, Materialübergänge und Dichteunterschiede erfassen und dreidimensional darstellen kann. Als Ergebnis dieser Arbeit konnte anhand der CT-Datenauswertung sowie für die gravimetrische Dichtebestimmung ein fertigungsparameterabhängiger Dichteverlauf in den unterschiedlichen Proben festgestellt werden. Auf Basis der CT-Ergebnisse erfolgten 3D-Darstellungen der inneren Porenstrukturen, welche mittels metallographischen Zielpräparationen verifiziert wurden. Die Genauigkeit der CT-Auswertung liegt absolut betrachtet bei etwa ±0,5 % Porosität, was umgerechnet auf die Bauteildichte des verwendeten Materials ±0,04 g/cm³ bedeutet. Beim Vergleich der Dichtebestimmung mittels CT mit der gravimetrischen Dichtebestimmung wurden Abweichung von ±0,027 g/cm³ beobachtet. Für den Nd:YAG-Laser wurde mit optimierten Parametern eine Dichte von 7,903 g/cm³ und mit dem Faser-Laser eine Dichte von 7,864 g/cm³ erreicht. Zur weiteren Optimierung des SLM-Prozesses muss überprüft werden, wie die Erkenntnisse aus dieser Arbeit auf ein anderes Material übertragen werden können. Außerdem soll untersucht werden, wie sich die höheren Dichten auf Werkstoffeigenschaften wie der Bruchdehnung und der Zähigkeit auswirken.

KW - CT

KW - Röntgen-Computertomografie

KW - Lasersintern

KW - CT

KW - Röntgen-Computertomografie

KW - Lasersintern

M3 - Masterarbeit / Diplomarbeit

ER -

Charakterisierung von Porositäten in Sintermetallen mit 3D-Röntgencomputertomographie zur Ermittlung optimaler Fertigungsparameter beim selektiven Laserschmelzen

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Keywords

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