Die additive Fertigung metallischer Komponenten erfährt immer größere Popularität, da die Vorteile der Konstruktionsfreiheitsgrade, des auf die Anwendung angepassten Designs, sowie des reduzierten Materialeinsatzes und der schnellen Umsetzbarkeit überzeugend sind. Um das gesamte Leichtbaupotential von 3D-gedruckten Aluminiumbauteilen auszuschöpfen, bietet ELB einen speziell auf diese Legierungen angepassten Ultraceramic®-Prozess, der die AM-gefertigten Komponenten extrem beständig durch hohen Korrosions- und Verschleißschutz werden lässt.
Die additive Fertigung (additive manufacturing, AM) erreicht immer größere Popularität, was auch der schnell vorangetriebenen Weiterentwicklung der Technologie zu verdanken ist. Unter den diversen am Markt befindlichen AM-Verfahren ist das selektive Laserschmelzen (SLM) ein aufgrund der hohen Prozessgeschwindigkeit und der geringen Kosten attraktives Verfahren. Hierbei werden durch schichtweises Laseraufschmelzen von metallischem Pulver komplexe und feine Strukturen erzeugt. Eine gängige Aluminiumlegierung für diesen Prozess stellt AlSi10Mg dar.
In vielen Industriesektoren sind 3D-gedruckte metallische Bauteile aufgrund des enormen Leichtbaupotentials bereits im Einsatz. So kann ein additiv gefertigtes Bauteil, eingesetzt im Flugzeugbau, zur Reduzierung des Luftwiderstands und dadurch zum reduzierten Treibstoffverbrauch beitragen [1]. Im Rahmen der Elektromobilität fällt nicht nur der Vorteil des beschleunigten Produktionsprozesses für AM-gefertigte Bauteile ins Gewicht, sondern auch die Tatsache, dass solche Komponenten sowohl leichter als auch mechanisch fester als ihre konventionell gegossenen Pendants sind [2]. Auch in der orthopädischen Chirurgie bietet der 3D-Druck aufgrund des hohen Individualisierungsgrads von Implantaten für Gerüst- oder Knochenersatz viele Vorteile. So hat sich beispielsweise die additive Fertigung von Magnesiumlegierungen als vielversprechendes biologisch abbaubares Biomaterial für den Einsatz in der Orthopädie erwiesen [3].
1 Prinzip der PEO-Beschichtung
Jedoch kann erst durch eine entsprechende Oberflächenveredelung AM-gefertigter Bauteile das gesamte Leichtbaupotential ausgeschöpft werden. So weisen auf der einen Seite additiv gefertigte Aluminiumlegierungen einen deutlich geringeren Korrosionsschutz als entsprechend konventionell gegossene Bauteile auf, auf der anderen Seite kann das Leichtmetall durch Modifikation an der Oberfläche viel höheren mechanischen Belastungen standhalten und somit auch unter harschen Bedingungen Einsatz finden. Eine innovative Oberflächenveredelung für Leichtmetalle stellt das Plasmaelektrolytische Oxidationsverfahren (PEO) dar. Im Vergleich zur Anodisierung oder Hartanodisierung erzeugt dieses Verfahren einen deutlich höheren Oberflächenschutz.
Beim PEO-Prozess wird die zu veredelnde Leichtmetalloberfläche in einem umweltfreundlichen Elektrolyten einer so hohen Spannung ausgesetzt, dass lokale Plasmaentladungen an der Oberfläche des Bauteils stattfinden, die zur Bildung von nanokristallinen keramikartigen Metalloxiden führen. So entstehen auf Aluminium korundartige α-Al2O3-Kristallite mit einer hohen Härte von bis zu 2500 HV (HV = Härte-Vickers). Die nanokristalline Struktur bietet auch bei dieser hohen Härte eine hervorragende Duktilität. Da das Wachstum dieses Metalloxids das Produkt einer chemischen Reaktion ist, bei der das Schichtwachstum von der ursprünglichen Oberfläche nach innen und außen führt, ist die PEO-Oberfläche atomar haftend mit dem Substrat verbunden, sodass es weder zur Enthaftung noch zur Unterwanderung kommt.
Die Vorteile der PEO-Veredelung werden seit vielen Jahren auf konventionellen Aluminiumgusslegierungen sowie auf Knetlegierungen genutzt. Dabei reichen die Einsatzgebiete von Antriebskomponenten im Automobil- und Maschinenbau über thermische Anwendungen bis hin zur Luft- und Raumfahrt. So gibt es auch in der Fachliteratur viele Studien zum Korrosions- und Verschleißschutz solcher Oberflächen.
Studien der PEO-Oberflächenveredelung 3D-gedruckter Bauteile sind hingegen kaum zu finden. Dabei lassen sich andere Oberflächenveredelungen wie die Anodisation auf der AlSi10Mg-Legierung aufgrund des hohen Siliziumgehalts nicht abbilden. Der PEO-Prozess und die resultierende Oberflächenmorphologie sind stark abhängig von der Mikrostruktur des Substratmaterials. Darüber hinaus spielen weitere Prozessparameter wie die Ansteuerung und der Elektrolyt eine Rolle.
2 CERANOD© Ultraceramic©: Innovativer Oberflächenschutz für die additive Fertigung
Mit über 60 Jahren Erfahrung in der Oberflächentechnik und zwei Jahrzehnten der PEO-Veredelung sieht sich das ELB Eloxalwerk Ludwigsburg Helmut Zerrer GmbH als Experten, wenn es um innovative Lösungen für Leichtmetalloberflächen geht. Maßgeschneiderte Lösungen bietet das innovative Ultraceramic© PEO-Verfahren des Unternehmens, das auf Einzelteile, große Serien, und diverse Legierungen anwendbar ist. Die Schutzpanzerung verlängert die Lebensdauer der Bauteile um ein Vielfaches. Durch einen stets hohen Einsatz in Forschung und Entwicklung optimiert des ELB ihre Oberflächentechnologien stetig weiter.
Um Korrosionsprozesse der SLM-gefertigten AlSi10Mg-Legierung zu verstehen, wurden solche Oberflächen mittels elektrochemischer Messmethoden und Auslagerungen in einer 0,1 M NaCl-Lösung untersucht. Hierbei konnte festgestellt werden, dass das ungeschützte gedruckte Bauteil einer starken selektiven Korrosion unterliegt, welche sich insbesondere entlang der Wärmeeinflusszone und den Rändern des Schmelzbads (Abb. 1) ausbildet [4]. Solche Korrosionsangriffe reduzieren im Anwendungsfall die strukturelle Integrität des Bauteils und können zu schnellen und fatalen Ausfällen in der Anwendung führen.
Abb. 1: Querschliffe der unbeschichteten AlSi10Mg-SLM-Oberflächen nach einem Langzeit-Korrosionstest; As-Built (links) und polierte Oberflächen zeigen eine tiefe Lochkorrosion, die sich entlang des Schmelzbadrandes ausbreitet (rechts)
Abb. 2: Aufnahmen der ungeschützten As-built (links) und PEO-Oberfläche (rechts) nach dem Korrosionstest
Die makroskopischen Bilder (Abb. 2) zeigen die ungeschützte As-built- und die entsprechende Ultraceramic®-veredelte Oberfläche nach elektrochemischen Korrosionstests bei bis zu 80 °C und einer Langzeitauslagerung (10 Tage) in NaCl-Lösung. Während die PEO-Oberfläche keine sichtbaren Korrosionserscheinungen aufweist (Abb. 2, rechts), sind auf der ungeschützten SLM-Probe hingegen schwarze Korrosionsangriffe auf der Oberfläche deutlich zu erkennen (Abb. 2, links).
Die PEO-Veredelung verleiht dem AM-gedruckten Bauteil eine mindestens 30-fach höhere Korrosionsbeständigkeit, die insbesondere im Einsatz bei hohen Temperaturen und langer korrosiver Beaufschlagung enorme Beständigkeit und auch Sicherheit bietet [4]. Zusätzlich können mittels dieser Technologie Defekte wie oberflächennahe Poren, die typisch für den SLM-Prozess sind, sicher geschützt werden (Abb. 3, rechts). Der Ultraceramic®-Prozess lässt sich ohne zusätzliche vorgeschaltete mechanische Oberflächennachbehandlung der AM-gefertigten Aluminiumbauteile abbilden und führt zusätzlich zu einer reduzierten Rauheit der Oberfläche.
Abb. 3: REM-Aufnahme der Topographie der PEO-Oberfläche (links); der Querschliff zeigt eine kompakte und geschlossene PEO-Oberfläche (rechts) auf dem SLM-gefertigten Substrat
Abb. 4: Verschleißspuren der tribologisch mit Hartmetall (WC) geprüften Oberflächen; polierte ungeschützte AM-Oberfläche (XZ-gedruckte Ebene) (links) und selbige Oberfläche, geschützt durch PEO-Veredelung (rechts)
Darüber hinaus bietet die PEO-Oberfläche einen extremen Verschleißschutz, wie die Ergebnisse der Verschleißprüfung, durchgeführt an einem Pin-On-Disc-Tribometer, zeigen (Abb. 4). Um hohe tribologische Belastungsfälle abzubilden, wurde die Verschleißprüfung mit einer Hartmetall-Kugel (Wolfram-Carbid, WC) als statischem Gegenpartner durchgeführt, während die zu prüfende Oberfläche linear-reziprok darunter bewegt wurde. Prüfungen auf der ungeschützten polierten AM-Oberfläche führten zu einer ungleichmäßigen, hohen Reibung, die mit einem hohen Verschleiß der AM-Oberfläche sowie der Hartmetallkugel einherging (Abb. 4, links). Unter gleichen Prüfungsbedingungen weist die PEO-veredelte Oberfläche ein deutlich verbessertes tribologisches Verhalten auf, das sich durch eine homogene Reibung und nahezu keinem Verschleiß der geschützten AM-Oberfläche auszeichnet. Damit erhält die Oberfläche durch die PEO-Veredelung eine um mindestens den Faktor 1000 höhere Verschleißbeständigkeit.
Obwohl der Wolfram-Carbid-Gegenkörper eine viel höhere Härte als die Aluminiumlegierung und die PEO-Oberfläche besitzt (WC = 1710 HV [5], AlSi10Mg = 108,1 ± 2,6 HV0,1 und PEO= 654,5 ± 148,2 HV0,1), wird die PEO-Oberfläche kaum abgenutzt und das darunterliegende, zu schützende Aluminiumsubstrat erfährt keine Verformung. Diese Beständigkeit ist dem nanokristallinen Aufbau der Ultraceramic®-Oberfläche zu verdanken, der eine sehr hohe Duktilität bietet.
Magnesium und seine Legierungen bergen aufgrund ihrer geringen Dichte und ihrer hohen Festigkeit ein noch größeres Leichtbaupotential als Aluminium. Werden diese Eigenschaften mit der AM-Technologie kombiniert, so lassen sich Ultraleichtkomponenten mit komplexen Geometrien herstellen, wie sie mit konventionellen Bearbeitungsverfahren nur schwer oder gar nicht herstellbar sind. Aufgrund der hohen Elektronegativität von Magnesium sind solche Legierungen jedoch hochreaktiv, sodass schnelle Korrosionsreaktionen an der ungeschützten Oberfläche auftreten können. Um die Einsatzfähigkeit und Lebensdauer von 3D-gedruckten Magnesiumlegierungen zu verlängern, ist eine Oberflächenveredelung unumgänglich.
Das PEO-Verfahren bietet hier eine optimale Lösung, da es für Aluminium- und für Magnesiumlegierungen angewendet werden kann und damit auch für 3D-Magnesiumbauteile. Aus den intensiven Studien des ELB an verschiedenen Magnesiumlegierungen [7] geht hervor, dass durch Optimierung und Anpassung des Ultraceramic®-Prozesses an eine neue Magnesiumlegierung, hier E-Form®, eine wesentlich glattere, weniger poröse und feinere Struktur des PEO erzeugt werden kann (Abb. 5). Die erzeugte Morphologie ermöglicht eine hohe Korrosions- und Verschleißfestigkeit bei geringen Schichtdicken (ca. 10 µm).
Abb. 5: REM-Aufnahme der PEO-Oberflächen auf E-Form© im Originalprozess (links) und im Ultraceramic©-optimierten Prozess [6]
3 Kompetenz Hybridoberfläche für das 3D-Bauteil
Wenn unter extremen Bedingungen ein Bauteil einen hohen Verschleißschutz erforderlich macht, das Gesamtsystem geringe Reibung aufweisen und ressourcenschonend sein soll, dann bieten die Hybridoberflächen des ELB die richtige Lösung. Kombiniert wird hierbei ein Hochleistungspolymer, das Poly-Ether-Ether-Keton (PEEK), das einen Verbund mit der harten und dichten Oberfläche des PEO auf Aluminium- und Magnesiumlegierungen bildet [7]. Durch ein Laserbeschichtungsverfahren kann diese Verbundschicht erzeugt werden, ohne dass das Substratmaterial einen negativen thermischen Einfluss erfährt.
Verschleißuntersuchungen mit dem Pin-On-Disc-System und einem Wälzlagerstahl (100Cr6) als Gegenkörper unter unterschiedlichen Last- und Geschwindigkeitsbeaufschlagungen zeigten, dass der Verschleiß der Wälzlagerkugel auf PEO-Oberflächen auf Aluminium und Magnesium höher ist als auf der Hybridoberfläche. Der PEEK-Anteil dieser Verbundoberfläche verbessert das Verschleißverhalten durch Verringerung des Reibungskoeffizienten (Abb. 6) und wirkt als Festschmierstoff, der den Verschleiß der Oberfläche des zu schützenden Leichtmetalls als auch den des Gegenkörpers aus Stahl deutlich reduziert.
Abb. 6: Durchschnittlicher Reibungskoeffizient und Verschleißkoeffizient der Oberfläche und Kugel im langsamen (links) und im schnellen Testsystem (rechts) in Abhängigkeit von der Oberflächenbehandlung [7]
Die Ergebnisse zeigten, dass der Reibungskoeffizient der Hybrid-Magnesiumoberfläche niedriger ist als der der Hybrid-Aluminiumoberfläche. Dies ist auf das weichere Magnesium zurückzuführen, das zur elastischen Verformung und damit zur Energieabsorption beiträgt. Durch das patentierte Know-How des ELB kann die PEEK-Schicht mit Additiven dotiert werden, die das Verschleißverhalten weiter verbessern, sodass sowohl auf der zu schützenden Leichtmetalloberfläche als auch am Gegenkörper, auch bei langer Prüfzeit, nahezu kein Verschleiß festgestellt werden kann. Diese Ergebnisse zeigen, dass solche neuartigen Hybridoberflächen, auch angewandt auf AM-Komponenten, extremen Schutz und Ressourceneffizienz bieten.
4 Fazit
Erst durch die passende Oberflächenveredelung lässt sich das gesamte Leichtbaupotenzial der metallischen additiven Fertigung ausschöpfen. Insbesondere ist ein Korrosionsschutz bei additiv gefertigtem AlSi10Mg erforderlich, da Bauteile vor allem entlang der prozessbedingten Schmelzbadränder korrosionsanfällig sind. Der innovative Oberflächenschutz durch PEO von CERANOD© Ultraceramic© verbessert die Korrosionsbeständigkeit bei Einsatz unter hohen Temperaturen und Langzeitbeaufschlagung mit korrosiven Medien deutlich. Darüber hinaus umschließt die PEO-Oberfläche Poren und Defekte, die aus dem SLM-Prozess resultieren und sorgt für maximalen Schutz. Durch den elektrolytischen Prozess können auch komplexe Geometrien, die für andere Beschichtungstechnologien nicht zugänglich sind, erreicht und gut geschützt werden.
Auch potentielle AM-Magnesiumlegierungen lassen sich durch eine PEO-Beschichtung schützen, wobei der PEO-Prozess von CERANOD© Ultraceramic© stets passend zur Legierung optimiert wird.
Funktionelle Hybridoberflächen, die durch einen Verbund von PEO und PEEK auch zum Verschleißschutz des tribologischen Gegenpartners führen, können durch geringe Reibung deutlich zur Ressourceneffizienz und Langlebigkeit beitragen. Durch passende Additivierung lässt sich das Reibverhalten noch weiter verbessern. Angewandt auf 3D-gedruckten Bauteilen kann so der Individualisierung noch mehr Rechnung getragen werden.
Danksagung
Die Autoren danken dem Partner, der Abteilung Application, Materials and Consulting Additive Manufacturing von TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH (E-mail: consulting.am@de.trumpf.com), der freundlicherweise die Proben für diese Untersuchungen gedruckt und zur Verfügung gestellt hat.
Literatur
[1] Central Scanning, How does the aerospace industry use 3d printing services? (2021); https://www.central-scanning.co.uk/aerospace-industry-3d-printing-services/
[2] Nicholas Terry: Porsche is 3D printing electric drive housings that are lighter and stronger than conventional ones (2021); https://electrek.co/2021/02/02/porsche-is-3d-printing-electric-drive-housings-that-are-lighter-and-stronger-than-conventional-ones
[3] R. Karunakaran, S. Ortgies, A. Tamayol, F. Bobaru, M. P. Sealy: Additive manufacturing of magnesium alloys; Bioact. Mater. 5 (2020) S. 44–54; https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2019.12.004
[4] P. Jantimapornkij, J. Zerrer, A. Buling: Advanced Corrosion Protection of Additive Manufactured Light Metals by Creating Ceramic SurfaceThrough CERANOD® Plasma Electrolytical Oxidation Process; Front. Chem. Eng. 3 (2021) 734644; https://doi.org/10.3389/fceng.2021.734644
[5] AZOMaterials: What is Tungsten Carbide or Hard Metal? (2009); https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=4827
[6] A. Buling, J. Zerrer: Increasing the application fields of magnesium by ultraceramic®: Corrosion and wear protection by plasma electrolytical oxidation (PEO) of Mg alloys; Surface and Coatings Technology 369 (2019) S. 142–155; https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.04.025
[7] A. Buling, J. Zerrer: Lifting Lightweight Metals to a New Level – Tribological Improvement by Hybrid Surface Solutions on Aluminium and Magnesium; Lubricants 8 (2020) 65; https://doi.org/10.3390/lubricants8060065
