Alternative Herstellung von Eisenpulver für die Additive Fertigung am Beispiel des pulverbettbasierten Schmelzens von Metallen
Durch technologische Fortschritte hat sich in der metallischen additiven Fertigungsbranche das pulverbettbasierte PBF-LB/M-Verfahren zur Herstellung von komplexen und individuellen Bauteilen etabliert. Um die Potenziale dieser Technologie weiter auszuschöpfen, konzentrieren sich aktuelle Entwicklungen im Wesentlichen auf die Steigerung der Produktivität, Prozessstabilität und Kostenersparnis. Zusätzlich hat sich in den letzten Jahren der Bedarf an einer ressourcenschonenden und umweltverträglichen PBF-LB/M-Produktion verstärkt, welches die vorangehende Metallpulverherstellung und den damit verbundenen Rohstoffeinsatz einschließt. In diesem Zusammenhang stellt die Stahlindustrie mit ihren anfallenden Nebenprodukten als ressourcenschonende Rohstoffquelle zur Herstellung von Metallpulver für den PBF-LB/M-Prozess ein großes Potenzial dar. Daher befasst sich die vorliegende Arbeit mit der alternativen Herstellung von Eisenpulver aus anfallendem Eisenoxidpulver der Stahlindustrie für den PBF-LB/M-Prozess.
Im Rahmen der Arbeit wurde im ersten Schritt ein mehrstufiger Prozess im Labormaßstab entwickelt, um Eisenpulver aus dem anfallendem Eisenoxidpulver herzustellen. Dabei wurde das Eisenoxidpulver in einer temperierten Umgebung mit Wasserstoff zu Eisenpulver reduziert. Zuvor erfolgte eine gezielte Modifikation des Eisenoxidpulvers in Bezug auf die Partikelgrößenverteilung und -morphologie, um die Herstellung von möglichst sphärischem und fließfähigem Eisenpulver zu ermöglichen. Das erzeugte Eisenpulver erreichte durch die regelmäßige Partikelmorphologie einen durchschnittlichen Lawinenwinkel von 48,5 °, wodurch eine ausreichende Fließeigenschaft für den Pulverauftrag im PBF-LB/M-Prozess gewährleistet war.
In einem weiteren Schritt wurde die Verarbeitbarkeit des zuvor erzeugtem Eisenpulvers im PBF-LB/M-Prozess untersucht. Die Untersuchungsergebnisse zeigten, dass das Eisenpulver zu dichten Bauteilproben mit einer relativen Dichte von > 99,50 % verarbeitet werden kann. Abschließend erfolgten mechanische und metallographische Untersuchungen von unbehandelten und wärmebehandelten PBF-LB/M-Zugproben aus dem erzeugten Eisenpulver. Aufgrund des hohen Eisengehaltes von > 99,50 wt.% und des geringeren Kohlenstoffgehaltes von < 0,004 wt.% wurde ein ferritisches, feinkörniges Gefüge mit einer Zugfestigkeit von 446 N/mm² und einer Bruchdehnung von 23,8 % direkt nach dem PBF-LB/M-Prozess erreicht. Mit einer Wärmebehandlung bei 940 °C verringerte sich die Zugfestigkeit auf 391 N/mm², während die Bruchdehnung auf 26,2 % anstieg.
Die vorliegende Arbeit verdeutlicht, dass Eisenpulver, welches aus anfallendem Eisenoxid der Stahlindustrie gewonnen wird, im PBF-LB/M-Prozess zu dichten Bauteilen verarbeitet werden kann. Dadurch wird die Möglichkeit eröffnet, natürliche Primärressourcen durch die Nutzung von anfallendem Eisenoxid zu schonen.Due to technological improvements, the powder bed-based PBF-LB/M process has become established in the metal additive manufacturing industry to produce complex and customized components. In order to further harness the potential of this technology, current developments primarily focus on increasing productivity, process stability and cost savings. Additionally, in recent years, there has been an increased demand for resource-efficient and environmentally friendly PBF-LB/M production, which also includes the preceding metal powder production and the required raw material.
In this context, the by-products of the steel industry serve as a resource-efficient source to produce metal powder for the PBF-LB/M process. Therefore, the present work focuses on the alternative production of iron powder from the by-product, namely iron oxide powder in the steel industry, for the PBF-LB/M process.
In this study, a multi-stage laboratory-scale process was developed to produce iron powder from iron oxide powder. In this process, iron oxide powder was chemically reduced to iron powder in a controlled environment using hydrogen. Prior to the chemical reduction, deliberate modifications were made to the iron oxide powder, focusing on particle size distribution and morphology, with the aim of enabling the production of spherical and flowable iron powder. The produced iron powder, characterized by its regular particle morphology, achieved an average avalanche angle of 48.5 °, ensuring sufficient flowability for powder deposition in the PBF-LB/M process.
In a further step, the processability of the previously produced iron powder in the PBF-LB/M process was examined. The test results demonstrated that the iron powder can be used to create dense component samples with a relative density of > 99.50 %. Subsequently, mechanical and metallographic analyses were performed on untreated and heat-treated PBF-LB/M tensile specimens. Due to the high iron content of > 99.50 wt.% and low carbon content of < 0.004 wt.%, a ferritic, fine-grained microstructure with a tensile strength of 446 N/mm² and an elongation at break of 23.8 % was achieved directly after the PBF-LB/M process. With heat treatment at 940 °C, the tensile strength decreased to 391 N/mm², while the elongation at break increased to 26.2 %.
The present study demonstrates that the produced iron powder from iron oxide in the steel industry can be processed into components in the PBF-LB/M process. In this way, the utilization of the resulting iron oxide can contribute to the conservation of natural primary resources.