Elementaranalysator zur Qualitätskontrolle von Metallpulvern zum Einsatz in additiven Fertigungsverfahren

Einer Umfrage unter Experten aus der Branche der Additiven Fertigung zu folge investieren immer mehr Unternehmen nachhaltig in additive Fertigungstechnologien. Dabei sind es vor allem die positiven Effekte der neuartigen Technologie auf die Zykluszeiten in der Produktion und die Komplexität der einzusetzenden Bauteile bzw. die Designmöglichkeiten, die sich neu ergeben, die Additive Fertigungstechnologien besonders interessant machen. Dabei darf die Qualitätskontrolle jedoch nicht außer Acht gelassen werden.

Ein maßgeblicher Punkt in der Qualitätskontrolle ist die Qualität der metallischen Ausgangspulver, frisch oder recycelt, für pulverbasierte Verfahren. Mangelhafte Qualität der Ausgangspulver haben massiven Einfluss auf das spätere Bauteil, z.B. in Bezug auf das Bruchverhalten, Temperaturstabilität oder Haftungsverhalten auf unterschiedlichen Oberflächen. Allerdings ist es ohne das entsprechende Equipment schwierig die wichtigen Parameter zu kontrollieren.

Bei den für pulverbasierte additive Fertigungsverfahren eingesetzten Metallpulver sind die Gehalte an Nichtmetallen essentiell, auch wenn diese nur in Spuren vorliegen. Durch deren Konzentration wird in den allermeisten Fällen beispielsweise die Festigkeit, Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Härte des späteren Bauteils massiv beeinflusst. Unwissen über die Gehalte von C, S, O, N und H kann zu ungewollten Abweichungen und schließlich sogar in fatalem Materialversagen resultieren.

Firmen aus verschiedensten Industrien stehen nun vor der Aufgabe additive Fertigungstechnologien in Ihre Prozesse zu integrieren und müssen daher auch über den Einsatz von Elementaranalysatoren zur Qualitätskontrolle metallische Pulver nachdenken. Die inductar® Serie von Elementar Analysensysteme GmbH aus Langenselbold ermöglicht es eine produktionsbegleitende analytische Kontrolle zu gewährleisten und auch die kleinsten nichtmetallischen Unreinheiten zu detektieren. Dadurch wird nicht nur der Einsatz minderqualitativer Materialien vermieden, sondern auch die verantwortlichen Ingenieure direkt mit den relevanten Fragestellungen bezüglich Pulverqualität konfrontiert. Mit dem frühzeitigen Wissen darüber, wie sich ein fertig gedrucktes Bauteil verhalten wird, lassen sich komplett neuartige Strukturen erzeugen und umsetzen.

Da während der pulverbasierten additiven Fertigungsverfahren Sinterprozesse stattfinden, ist es sowohl wichtig die genaue chemische Zusammensetzung der Ausgangspulver, als auch der gedruckten Teile und des eventuell nach dem Prozess zu recycelten Pulvers zu kennen. Die Elemente Kohlenstoff, Schwefel, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff können während des Prozesses reagieren und sich verflüchtigen oder als anderweitige Verbindung vorliegen. Dies wird maßgeblichen Einfluss auf die Materialeigenschaften des gedruckten Bauteils haben.

Vor allem bei der Frage danach, ob recyceltes Pulver nach dem Druckprozess noch einmal verwendet werden kann, ist Elementaranalyse ein wichtiges Tool, um festzustellen, ob die chemische Zusammensetzung noch identisch ist und dieselben Prozessparameter verwendet werden können. Meistens findet der Aufbau der additiv gefertigten Struktur unter Inertgasatmosphäre statt, allerdings kann dies, wie zum Beispiel beim entnehmen des fertigen Bauteils, nicht immer gewährleistet werden. Aufgrund der extrem großen Oberfläche der feinen Metallpulver, sind diese daher sehr oxidationsanfällig. Durch den Einsatz von Elementaranalyse vor dem erneuten Einsatz eines wiederverwendeten Pulvers, kann sicher gestellt werden, dass qualitativ hochwertige, nicht oxidierte Pulver vorliegen.

Dies wird auch anhand der Analysenergebnisse in Tabelle 1 gezeigt, die die Veränderung der C, S, O, N und H Gehalte in frischem und recyceltem Titan- bzw. Stahlpulver zeigt. Alle Messungen wurden mit Geräten der inductar Serie durchgeführt.

Elementars Portfolio an anorganischen Elementaranalysatoren beinhaltet den inductar CS cube für die Analyse von Kohlenstoff und Schwefel in anorganischen Proben, den inductar ONH cube für die Analyse von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff in anorganischen Proben, sowie den inductar EL cube, den ersten 5-Elemente-Analysator, der es ermöglicht alle fünf Elemente C, S, O, N und H mit nur einem Gerät zu bestimmen.