Selektives Laserschmelzen zur generativen Herstellung von Bauteilen aus hochfester Oxidkeramik

  • Additive manufacturing of components out of high-strength oxide ceramics by selective laser melting

Wilkes, Jan Ingo; Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2009)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines generativen Fertigungsverfahrens zur Herstellung von Objekten aus Zirkonoxid- / Aluminiumoxidkeramik auf Basis des Selective Laser Melting (SLM) vorgestellt. Erstmals wird gezeigt, dass über das vollständige selektive Schmelzen von rein keramischem Pulvergemisch aus Zirkonoxid (ZrO2) und Aluminiumoxid (Al2O3) mittels Laserstrahlung komplex geformte Volumenkörper mit annähernd 100% Dichte direkt hergestellt werden können. Damit ist das vorgestellte Verfahren das erste Formgebungsverfahren für hochfeste Oxidkeramikwerkstoffe, bei dem der Formkörper durch Erstarrung aus der Schmelzephase entsteht, und nicht über einen Sinterprozess. Der Aufbau der Formkörper erfolgt schichtweise nach vorgegebenen 3D-Geometriedaten, durch selektive Bewegung eines Laserstrahls über eine Pulverschicht. Eine Biegefestigkeit der hergestellten Körper von über 500 MPa kann erreicht werden. Anwendungen, auf die die Verfahrensentwicklung abzielt, sind z.B. die Herstellung von Funktionsprototypen im Rahmen der Produktentwicklung, die Fertigung von speziellen komplex geformten Geometrien, die auf konventionelle Weise nicht oder nicht wirtschaftlich herstellbar sind, sowie die Fertigung von individuellem vollkeramischem Zahnersatz. Ein für diese Anwendungen geeignetes generatives Fertigungsverfahren für die Werkstoffe ZrO2 oder Al2O3 existierte bisher nicht. Die größte Herausforderung bei der Verarbeitung von Keramik mit dem SLM ist die Vermeidung von Rissbildung. Risse entstehen aufgrund der hohen Temperaturdifferenzen und Temperaturgradienten während der Bearbeitung mit der Laserstrahlung, in Kombination mit der unzureichenden Duktilität der Keramik. Durch die Verwendung eines Gemisches aus den beiden Stoffen ZrO2 und Al2O3, die ein eutektisches System bilden, werden gegenüber den jeweiligen Reinstoffen folgende Vorteile erzielt:- Die Erstarrungstemperatur wird gesenkt und dadurch Temperaturdifferenzen und Spannungen beim SLM verringert.- Ein deutlich feineres Gefüge mit Kristallitgrößen zwischen < 1 µm und 20 µm wird erreicht. Dies ist Voraussetzung für gute mechanische Eigenschaften.- Bei ZrO2 / Al2O3 Keramik wird bei Temperaturen oberhalb etwa 1300°C eine plastische Verformbarkeit beobachtet, wodurch beim SLM entstehende Spannungen möglicherweise abgebaut werden können.Zwei Verfahrensvarianten werden vorgestellt, eine Variante ohne eine Vorwärmung und eine Variante mit einer Vorwärmung der Keramik. Die erste Variante ist anlagentechnisch einfacher zu verwirklichen und führt bisher zu einer besseren Oberflächenqualität (Ra: ca. 10 µm). Damit können komplex geformte Volumenkörper hergestellt werden, wobei die Aufbaurate mit ca. 5000 mm³/h etwa der Aufbaurate beim SLM mit Metallwerkstoffen entspricht. Die besten Ergebnisse wurden mit einer Mischung aus 80 Gew.-% ZrO2 (keine Stabilisierung) und 20 Gew.-% Al2O3 erzielt. Als geeignetes Pulver erwies sich wegen seiner vergleichsweise hohen Schüttdichte ein durch Zerkleinern und Mahlen von erstarrter Schmelze hergestelltes Pulver mit einem Partikeldurchmesser zwischen 20 µm und 45 µm. Die mit dieser Verfahrensvariante hergestellten Volumenkörper weisen jedoch aufgrund von Mikrorissen im Gefüge nur eine geringe Biegefestigkeit (ca. 9,5 MPa) auf. Mechanismen der Rissbildung sind die Materialtrennung im festen Zustand (Spannungsriss oder Sprödbruch) sowie die Erstarrungsrissbildung. Mit Hilfe einer nachträglichen Glasinfiltration der rissbehafteten Körper kann die Biegefestigkeit auf ca. 45 MPa gesteigert werden. Die Rissbildung kann vermieden werden durch eine Vorwärmung der Keramik vor und während des SLM Aufbauprozesses auf eine Temperatur größer als etwa 1600°C. Für diese zweite Verfahrensvariante wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine Versuchsanlage entwickelt und aufgebaut, bei der die Vorwärmung durch flächige Beaufschlagung mit einem CO2-Laserstrahl realisiert wird. Zur Unterstützung der experimentellen Untersuchungen wurde eine numerische Simulation des selektiven Schmelzprozesses durchgeführt. Die Simulation ermöglicht eine Berechnung der Schmelzbadform und -größe sowie eine Berechnung des zeitlichen Temperaturverlaufes. Ein besonders feinkörniges Gefüge wird mit dem eutektischen Mischungsverhältnis, d.h. mit einer Mischung aus 41,5 Gew.-% ZrO2 und 58,5 Gew.-% Al2O3 erzielt. Das ZrO2 muss für diese Verfahrensvariante z.B. mit 6 Gew.-% Y2O3 stabilisiert werden. Hergestellte Proben weisen die beiden kristallinen Phasen tetragonales ZrO2 sowie alpha-Al2O3 auf. Unter Verwendung von sphärischen Pulverpartikeln mit einem mittleren Durchmesser von 50 µm ist eine Dichte von annähernd 100% erreichbar. Eine Biegefestigkeit von mehr als 500 MPa kann erreicht werden. Die Realisierbarkeit komplexer Geometrien mit dem SLM bei einer Vorwärmtemperatur größer als 1600°C wurde anhand der Geometrie einer Dentalrestauration demonstriert.

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