Kontrolle von Spritzern während der Laser-Pulverbett-Fusion zur Reduzierung von Fehlern beim metallbasierten 3D-Druck

Wissenschaft (2020). DOI: 10.1126/science.aay7830″ width=”” height=””>
Komplexes Absorptionsvermögen von Laserpulver. (A) Absorptionsdiagramm, das den Übergang von der Leitung (niedrige Leistung) zum Schlüsselloch (hohe Leistung) für eine blanke Platte (SS316L, Gaußsche Laserfleckgröße D4蟽 = 60 渭m und Scangeschwindigkeit 1,5 m/s) zeigt. Die Zugabe von 35 µm dickem Pulver verbessert die Saugfähigkeit bei niedriger Leistung. Dass sich die Simulationsdaten bei höherer Leistung (jenseits der gestrichelten vertikalen blauen Linie) mit und ohne Pulver überlappen, weist darauf hin, dass Pulver weniger relevant wird. (B) Simulation erfasst die lineare Beziehung zwischen Schmelzbadtiefe und Leistung. (C und D) Laser損owder搈elt-Pool-Wechselwirkung. Der Klarheit halber werden die Laserstrahlen in vier diskreten Farben bezeichnet und repräsentieren vier Leistungs-Bins. Die einfallenden Strahlen erreichen 100 % Leistung (rot) und verlieren bei Reflexion Energie. Ein blauer Strahl hat eine Leistung von weniger als oder gleich 25 % der Anfangsleistung. Bei geringer Leistung (92 W) dringen die Strahlen durch Mehrfachreflexionen in das Pulver ein. Daher ist das Absorptionsvermögen höher als bei einer flachen Platte. Bei hoher Leistung (365 W) liegt das Strahlzentrum über dem Schmelzbad und die Strahlen werden in der Vertiefung konzentriert. Die Laser-Pulver-Wechselwirkung wird weniger ausgeprägt. Der 3D-Schmelzpool wird in zwei Hälften geschnitten und zur visuellen Klarheit halbtransparent gemacht. Die X-, Y- und Z-Achsen dienen als Bezugsrahmen. Kredit: Wissenschaft (2020). DOI: 10.1126/science.aay7830

Ein Forscherteam mit Mitgliedern des Lawrence Livermore National Laboratory, der Wright-Patterson Air Force Base und der Barnes Group Advisors fand heraus, dass die Kontrolle von Spritzern während der Laser-Pulverbett-Fusion Fehler beim metallbasierten 3D-Druck reduzieren kann. In ihrem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Wissenschaft, beschreibt die Gruppe das Studium der Druckmethodik der additiven Fertigung und was sie darüber gelernt haben. Andrew Polonsky und Tresa Pollock von der University of California, Santa Barbara haben in derselben Zeitschriftenausgabe einen Perspective-Artikel über die Arbeit des Teams veröffentlicht.

Während die Druckmethoden der additiven Fertigung reifen, werden neue Materialien getestet, um herauszufinden, ob sie in 3D-Druckern zur Herstellung neuer Produkte verwendet werden könnten. In den letzten Jahren hat sich dies auch auf Metalle ausgeweitet. Eine solche Technik wird Laser-Pulverbett-Fusion (L-PBF) genannt. Dabei wird ein Hochleistungslaser verwendet, um metallische Pulver Schicht für Schicht zu schmelzen und zu einem 3D-Teil zu verschmelzen. Es wurde gehofft, dass die Technik schließlich für Luft- und Raumfahrt und biomedizinische Anwendungen verwendet werden könnte. Bisher sind diese Bemühungen jedoch aufgrund der großen Anzahl von Fehlern, die bei dem Verfahren auftreten, zu kurz gekommen. In diesem neuen Versuch haben die Forscher einen Weg gefunden, solche Defekte zu reduzieren und vielleicht den Weg für die Technik zu ebnen, um endlich ihr Versprechen zu erfüllen.

Um besser zu verstehen, warum der L-PBF-Prozess zu so vielen Defekten (wie unerwünschten Poren) führt, führten die Forscher Röntgen-Synchrotron-Experimente durch und bauten prädiktive Multi-Physik-Modelle, um ein besseres Verständnis der Vorgänge beim Drucken zu erlangen. Eines ihrer Ziele war es, besser zu verstehen, wie beim Drucken mit nur wenige Partikel dicken Pulverschichten Energie absorbiert wird.

Die Forscher fanden heraus, dass ein Großteil der Defekte das Ergebnis einfacher Spritzer war, die aus dem Prozess ausgestoßen wurden und das kürzlich geschmiedete Material störten. Weitere Untersuchungen ergaben, dass ein Großteil der während des Prozesses erzeugten Spritzer durch eine sorgfältige Steuerung der Laserleistung bei der Anwendung abgeschwächt werden konnte. Sie fanden heraus, dass dadurch die Anzahl der Fehler in den produzierten Objekten stark reduziert wurde.


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