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Materialografische Präparation von mit 3D-Drucktechnologien produzierten Proben

Die 1983 von C. Hull erfundene und 1986 patentierte 3D-Drucktechnologie (ursprünglich "Stereolithografie" genannt) ist heute ein etabliertes Produktionsverfahren auf dem Industriemarkt. Prognosen sagen eine Steigerung des weltweiten Umsatzes um 774 % in den nächsten 5 Jahren voraus - damit ist der 3D-Druck einer der am stärksten prosperierenden Märkte der nahen Zukunft. Eines der verschiedenen 3D-Druckverfahren ist das additive Laser-Pulver-Auftragschweißen. Diese Technik zeichnet sich dadurch aus, dass mit Hilfe des Laserschweißens Materialien in Pulverform aufgetragen werden. Die gewünschte Form des spezifischen Produkts wird durch das Verfolgen von Trajektorien geformt, die vor der Herstellung vordefiniert werden. Die Energie des Lasers schmilzt das verwendete Metallpulver und bildet eine Schweißraupe.

Wärmebehandelte Materialien & metallographische Probenpräparation

QATM bietet Produkte für alle Materialographieanwendungen

Die endgültige Geometrie erhält ihre dreidimensionale Kontur durch die Überlappung der Schweißraupen basierend auf den Bahnen der vordefinierten Trajektorien. Bei der Optimierung des additiven Laser-Pulver-Auftragschweißens steht die wirtschaftliche Bearbeitung bei hoher Qualität und Genauigkeit im Vordergrund. Ein weiterer Fokus liegt auf der Skalierbarkeit: einerseits im großen Maßstab und andererseits bei der Realisierung von Mikrostrukturen kleiner 100 µm.1 Die für das additive Laser-Pulver-Auftragschweißen verwendeten Materialien sind hauptsächlich:

  • Leichtmetall
  • Nickelsuperlegierungen
  • Stahl
  • Intermetallische Werkstoffe
  • Harte Materialien (Karbide)
Materialografische Präparation von mit 3D-Drucktechnologien produzierten Proben

Prozess des additiven Laser-Pulver-Auftragschweißens

Materialografischer Präparationsprozess

Im Folgenden wird der materialografische Präparationsprozess einer durch additive Fertigung hergestellten Probe demonstriert. In der Materialografie wird eine aus einem Werkstück entnommene Probe als Probekörper bezeichnet.

Eine typische materialografische Untersuchung umfasst die folgenden Schritte:

  • Schneiden z. B. mit einem Trennschleifer
  • Einbettung, die mehrere Vorteile für die weitere Vorbereitung bietet
  • Schleifen/Polieren zur Vorbereitung des Gefüges

Prüfung durch:

  • Härteprüfung
  • Bildanalyse
 
Materialografischer Präparationsprozess

Aufbau der Trennmaschine. Detail: eingespannte Probe (Spannwerkzeug: vertikaler Schraubstock)

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Für diesen Artikel wurde eine durch additives Laser-Pulver-Auftragschweißen hergestellte Stahlprobe (X6Cr17, Werkstoffnummer: 1.4016) untersucht. Der erste Schritt bestand darin, ein kleineres Probestück zu erhalten, das repräsentativ für das komplette Werkstück ist. Dazu wurde eine Präzisonstrennmaschine von QATM mit einer dünnen CBN (kubisches Bornitrid)-Schneide (Scheibendicke: 0,65 mm, Scheibendurchmesser: 153 mm) verwendet.

Der Schnitt erfolgte mit einem gepulsten Direktschnitt (0,2 mm vorwärts und 0,2 mm rückwärts) mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 1 mm/s und einer Drehzahl von 4500 U/min. Nach dem Schneiden wurde die Probe in ein Warmeinbettmittel (Epo schwarz) mit einer Warmeinbettpresse eingebettet, um eine leichter zu handhabende Probe zu erhalten. Die Montage erfolgte bei einem Druck von 200 bar für 6 Minuten bei 180°C, gefolgt von einem Abkühlzyklus von 6 Minuten. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Parallelität der montierten Proben von 51 µm ±1 µm (die Toleranzen beziehen sich auf den Messschieber, der für die Höhenmessung der Proben verwendet wurde). Die montierten Proben wurden anschließend mit einer halbautomatischen Schleif- und Poliermaschine geschliffen (Einzelkraft) und poliert (Einzelkraft).

Der Schleifvorgang wurde in zwei Schritte unterteilt. Der erste war das Planschleifen mit einem Siliziumkarbid (SiC)-Schleifpapier mit der Körnung P240, um alle durch den Trennvorgang verursachten Verformungen zu entfernen. Danach folgte das Schleifen mit einem SiC-Papier der Körnung P600, um die Oberfläche für die nachfolgenden Polierschritte zu glätten. Zunächst wurde die Probe mit dem harten Poliertuch Galaxy BETA und 9 µm polykristalliner Diamantsuspension vorpoliert, gefolgt von einem mittelharten Tuch aus Seide und 3 µm polykristalliner Diamantsuspension. Der letzte Schritt, die sogenannte Endpolitur, erfolgte mit einem weichen synthetischen Poliertuch und Eposil M. Die detaillierten Präparationsparameter sind in dieser Tabelle angegeben:

Schritt Medium Schmiermittel / Suspension Geschwindigkeit (U/min) Drehrichtung Probenhalter Einzelbelastung (N ) Zeit (min)
Schleifen SiC, P240 Wasser 150 Uhrzeigersinn 30 1:00
Schleifen SiC P600 Wasser 150 Uhrzeigersinn 30 1:00
Polieren BETA Alkohol, Diamant 9 µm(poly) 150 Entgegen d. Uhrzeigersinn 35 4:30
Polieren GAMMA Alkohol, Diamant 3 µm(poly) 150 Entgegen d. Uhrzeigersinn 35 4:00
Polieren OMEGA Wasser, Eposil M 100 Uhrzeigersinn 30 1:30

Auf Basis dieser Präparationssequenz wurde eine fein polierte Probenoberfläche erhalten. Abbildung 3 zeigt ein Bild, das mit einem Auflichtmikroskop (Auflicht) bei einer Vergrößerung von 100 aufgenommen wurde.

Materialografische Präparation von mit 3D-Drucktechnologien produzierten Proben

Bild der präparierten Probenoberfläche. Durch die polierte Oberfläche wird das Licht nahezu gleichmäßig reflektiert und die Mikrostruktur ist nicht zu erkennen.

Die Mikrostruktur wurde auch in der Mitte der Probenoberfläche gut kontrastiert, was darauf hindeutet, dass die gesamte präparierte Oberfläche erfolgreich kontrastiert wurde, wie auf dem Bild zu sehen ist.

Materialografische Präparation von mit 3D-Drucktechnologien produzierten Proben

Kontrastierte Probe. Das schweißbedingte Gefüge des gefertigten Werkstücks ist deutlich sichtbar.

Da das Licht nahezu gleichmäßig über die gesamte Probenoberfläche reflektiert wird, bleibt die Mikrostruktur unsichtbar. Aufgrund der Beschaffenheit des menschlichen Auges ist ein minimaler Kontrastunterschied von 10 % erforderlich, um den Kontrast auf jeder Oberfläche sichtbar zu machen. Diese Kontrastierung wird durch Ätzen erreicht. In unserem Beispiel wurde das Ätzmittel "V2A Beize" zum Beizen verwendet, um die Oberfläche durch selektives Ätzen der verschiedenen Phasen des untersuchten X6Cr17-Stahls zu kontrastieren. Das Ätzen erfolgte für 45 s und wie im Bild zu sehen ist, istdas Gefüge sehr gut zu erkennen.

Materialografische Präparation von mit 3D-Drucktechnologien produzierten Proben

Geätzte Probe mit "V2A Beize" (für 45 s). Kantenschnitt. Das Gefüge ist deutlich zu erkennen.

Fazit

Weitere Untersuchungen, wie die Härteprüfung, erfordern eine ebene und glatte Oberfläche, um zuverlässige und aussagekräftige Ergebnisse zu liefern. Der oben beschriebene materialografische Präparationsprozess stellt sicher, dass die Probe ideal für die Härteprüfung geeignet ist. QATM bietet leistungsstarke Geräte für die Mikrohärteprüfung und optische Auswertung.

QATM Produkte & Kontakt

QATM bietet eine breite Palette an innovativen und robusten Geräten für die Materialographie, Metallographie und Härteprüfung. Unsere Experten kennen die Anforderungen der einzelnen Industriezweige und helfen Ihnen gerne, die richtige Lösung für Ihre Anwendung zu finden.