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In einem kürzlich in der Zeitschrift Additive Manufacturing Letters veröffentlichten Artikel diskutieren Forscher den Nutzen chemisch geätzter Edelstahlspritzer zur Verlängerung der Pulverlebensdauer in der additiven Fertigung.
Forschung: Verlängerung der Pulverlebensdauer in der additiven Fertigung: Chemisches Ätzen von Edelstahlspritzern. Bildnachweis: MarinaGrigorivna/Shutterstock.com
Metall-Laser-Pulverbettfusion (LPBF) Spritzpartikel werden durch geschmolzene Tröpfchen erzeugt, die aus dem Schmelzbad ausgestoßen werden, oder durch Pulverpartikel, die beim Durchgang durch den Laserstrahl auf nahe oder über den Schmelzpunkt erhitzt werden.
Trotz der Verwendung einer inerten Umgebung fördert die hohe Reaktivität des Metalls in der Nähe seiner Schmelztemperatur die Oxidation. Obwohl beim LPBF ausgestoßene Spritzerpartikel zumindest kurzzeitig an der Oberfläche schmelzen, ist es wahrscheinlich, dass flüchtige Elemente an die Oberfläche diffundieren, und diese Elemente mit hoher Affinität zu Sauerstoff erzeugen dicke Oxidschichten.
Da der Sauerstoffpartialdruck bei LPBF üblicherweise höher ist als bei der Gaszerstäubung, erhöht sich die Möglichkeit der Bindung mit Sauerstoff.
Es ist bekannt, dass Spritzer aus rostfreiem Stahl und Nickelbasislegierungen schnell oxidieren und Inseln mit einer Dicke von bis zu mehreren Metern bilden. Darüber hinaus sind rostfreie Stähle und Nickelbasislegierungen, wie etwa solche, die inselartige Oxidspritzer erzeugen, bei LPBF häufiger bearbeitete Materialien, und die Anwendung dieser Methode auf typischere LPBF-Metallspritzer zeigt, dass die chemische Erneuerung für Pulver auf die übliche Weise von entscheidender Bedeutung ist.
(a) SEM-Bild von Edelstahlspritzerpartikeln, (b) experimentelle Methode des thermischen chemischen Ätzens, (c) LPBF-Behandlung von desoxidierten Spritzerpartikeln. Bildnachweis: Murray, J. W, et al., Additive Manufacturing Letters
In dieser Studie verwendeten die Autoren eine neue chemische Ätztechnik, um Oxide von der Oberfläche oxidierter Spritzpulver aus rostfreiem Stahl zu entfernen. Die Metallauflösung um und unter den Oxidinseln auf dem Pulver wird als primärer Mechanismus für die Oxidentfernung verwendet, was eine aggressivere Oxidentfernung ermöglicht. Die Spritz-, Ätz- und Neupulver wurden für die LPBF-Verarbeitung auf den gleichen Pulvergrößenbereich gesiebt.
Das Team zeigte, wie man Oxide aus Spritzerpartikeln aus rostfreiem Stahl entfernt, insbesondere solchen, die mit chemischen Techniken isoliert wurden, um Si- und Mn-reiche Oxidinseln auf der Pulveroberfläche zu bilden. 316L Spritzer wurden aus dem Pulverbett der LPBF-Drucke gesammelt und durch Eintauchen chemisch geätzt. Nachdem alle Partikel auf den gleichen Größenbereich gesiebt wurden, verarbeitet LPBF sie in einem einzigen Durchgang mit optimierten geätzten Spritzern und reinem Edelstahl.
Die Forscher untersuchten die Temperatur sowie zwei verschiedene Ätzmittel für rostfreien Stahl. Nach dem Screening auf den gleichen Größenbereich wurden LPBF-Einzelspuren unter Verwendung ähnlicher Neupulver, Spritzpulver und effizient geätzter Spritzpulver hergestellt.
Einzelne LPBF-Spuren, die aus Spritzern, Ätzspritzern und makellosem Pulver entstanden sind. Das Bild mit hoher Vergrößerung zeigt, dass die auf der gesputterten Spur vorherrschende Oxidschicht auf der geätzten gesputterten Spur entfernt wurde. Das ursprüngliche Pulver zeigte, dass noch einige Oxide vorhanden waren. Bildnachweis: Murray, J. W, et al., Additive Manufacturing Letters
Die Oxidflächenbedeckung auf Spritzpulver aus 316L-Edelstahl verringerte sich um den Faktor 10, von 7 % auf 0,7 %, nachdem Ralphs Reagenz eine Stunde lang in einem Wasserbad auf 65 °C erhitzt wurde. EDX-Daten zeigten bei der Kartierung der großen Fläche eine Verringerung des Sauerstoffgehalts von 13,5 % auf 4,5 %.
Geätzte Spritzer weisen im Vergleich zu Spritzern eine geringere Oxidschlackenschicht auf der Gleisoberfläche auf. Darüber hinaus erhöht das chemische Ätzen des Pulvers die Assimilation des Pulvers auf dem Gleis. Chemisches Ätzen hat das Potenzial, die Wiederverwendbarkeit und Haltbarkeit von Spritzern oder Pulvern für den Massengebrauch zu verbessern, die aus weit verbreiteten und korrosionsbeständigen Edelstahlpulvern hergestellt werden.
Im gesamten Siebgrößenbereich von 45–63 µm erklären die verbleibenden agglomerierten Partikel in den geätzten und ungeätzten Spritzpulvern, warum die Spurenvolumina der geätzten und ungeätzten Spritzpulver ähnlich sind, während die Volumina der ursprünglichen Pulver etwa 50 % größer sind. Es wurde beobachtet, dass agglomerierte oder satellitenbildende Pulver die Schüttdichte und damit das Volumen beeinflussen.
Geätzte Spritzer weisen im Vergleich zu Spritzern eine geringere Oxidschlackenschicht auf der Gleisoberfläche auf. Wenn die Oxide chemisch entfernt werden, zeigen die halbgebundenen und blanken Pulver Hinweise auf eine bessere Bindung der reduzierten Oxide, was auf eine bessere Benetzbarkeit zurückzuführen ist.
Schematische Darstellung der Vorteile der LPBF-Behandlung bei der chemischen Entfernung von Oxiden aus Spritzpulver in Edelstahlsystemen. Eine hervorragende Benetzbarkeit wird durch die Eliminierung von Oxiden erreicht. Bildnachweis: Murray, J. W, et al., Additive Manufacturing Letters
Zusammenfassend wurde in dieser Studie ein chemisches Ätzverfahren verwendet, um stark oxidierte Edelstahlspritzerpulver durch Eintauchen in Ralphs Reagenz, eine Lösung aus Eisenchlorid und Kupferchlorid in Salzsäure, chemisch zu regenerieren. Es wurde beobachtet, dass das einstündige Eintauchen in die erhitzte Ralph-Ätzlösung zu einer zehnfachen Verringerung der Oxidflächenbedeckung auf dem verspritzten Pulver führte.
Die Autoren glauben, dass das chemische Ätzen das Potenzial hat, verbessert und in größerem Maßstab eingesetzt zu werden, um mehrere wiederverwendete Spritzerpartikel oder LPBF-Pulver zu erneuern und dadurch den Wert teurer pulverbasierter Materialien zu steigern.
Murray, JW, Speidel, A., Spierings, A. et al.Verlängerung der Pulverlebensdauer in der additiven Fertigung: chemisches Ätzen von Edelstahlspritzern.Additive Manufacturing Letters 100057 (2022).https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369022000317
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Jainismus, Subi. (24. Mai 2022). Neue chemische Ätzmethode entfernt Oxide aus oxidiertem Edelstahlspritzpulver. AZOM. Abgerufen am 21. Juli 2022 von https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59143.
Jainismus, Subi. „Neue chemische Ätzmethode zur Entfernung von Oxiden aus oxidiertem Edelstahlspritzerpulver“. AZOM. 21. Juli 2022.
Jainismus, Subi. „Neue chemische Ätzmethode zur Entfernung von Oxiden aus oxidiertem Edelstahlspritzerpulver“. AZOM.https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59143. (Zugriff am 21. Juli 2022).
Jainismus, Subi.2022.Neue chemische Ätzmethode zur Entfernung von Oxiden aus oxidiertem Edelstahlspritzpulver.AZoM, abgerufen am 21. Juli 2022, https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59143.
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