Einfluss von Fokusshift und Prozessnebenprodukten auf den Laser Powder Bed Fusion Prozess

Schniedenharn, Maximilian; Witt, Gerd; Schleifenbaum, Johannes Henrich

doi:10.18154/RWTH-2020-11079

Einfluss von Fokusshift und Prozessnebenprodukten auf den Laser Powder Bed Fusion Prozess = On the influence of focal shift and process by-products on the laser powder bed fusion process

Schniedenharn, Maximilian^RWTH*

2020

VerantwortlichkeitsangabeMaximilian Schniedenharn

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2020

Umfang1 Online-Ressource (vi, 180 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-86359-910-2

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Weitere Reihe: Edition Wissenschaft Apprimus Druckausgabe: 2020. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schleifenbaum, Johannes Henrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Witt, Gerd (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-08-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-11079
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/807057/files/807057.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Digitale Additive Produktion (421510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
3D Druck (frei) ; Fokusshift (frei) ; Laserstrahlschmelzen (frei) ; Prozessnebenprodukte (frei) ; Schutzgasströmung (frei) ; additive Fertigung (frei) ; focal shift (frei) ; laser powder bed fusion (frei) ; process by-products (frei) ; selective laser melting (frei) ; shielding gas flow (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der L-PBF-Prozess ist ein additives Fertigungsverfahren, mit welchem aus einem metallischen, pulverförmigen Werkstoff Werkstücke mit nahezu beliebiger Geometrie hergestellt werden können. Während des Prozesses entstehende Fehlstellen wie Poren, Risse oder Anbindungsfehler können die mechanischen Eigenschaften der Werkstücke herabsetzen. Die Entstehung solcher Fehlstellen ist derzeit nicht ausreichend untersucht, weshalb deren Auftreten häufig zufällig erscheint. Als mögliche Ursachen für die Entstehung solcher Fehlstellen werden in dieser Arbeit Fokusshift (1) sowie die Interaktion von Laserstrahlung mit Prozessnebenprodukten (2) (Metallkondensat, Spritzer, schmelzflüssige und mitgerissene Pulverpartikel) untersucht. Darüber hinaus wird der Einfluss der Schutzgasströmung betrachtet (3): Diese transportiert die Prozessnebenprodukte aus der Laserstrahl-Pulver- Wechselwirkungszone und beeinflusst somit wesentlich die Interaktion. Fokusshift kann in L-PBF-Anlagen einerseits durch die physikalischen Eigenschaften der optischen Elemente und andererseits durch äußere Einflüsse (hier: Verschmutzung des Einkoppelfensters durch Prozessnebenprodukte) induziert werden. Für beide Einflüsse wird jeweils der transiente Fokusshift bestimmt und mit der relativen Dichte von Probekörpern aus dem Werkstoff 1.4404 korreliert. Es zeigt sich, dass der durch die optischen Elemente induzierte Fokusshift zu einer Änderung der relativen Dichte führt. Ein Einfluss der Verschmutzung kann jedoch im Rahmen der Arbeit nicht nachgewiesen werden. Die Untersuchungen zur Laserstrahl- Prozessnebenprodukt-Interaktion werden getrennt für Metallkondensat und Spritzer bzw. mitgerissene und schmelzflüssige Pulverpartikel (Fremdpartikel) durchgeführt. Dazu wird zunächst der grundlegende Zusammenhang zwischen ausgewählten Prozessparametern und der Emission der Prozessnebenprodukte anhand von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen diskutiert. Dabei zeigt sich, dass der Emissionswinkel mit zunehmender Intensität der Laserstrahlung kleiner wird. Anschließend wird der Einfluss der Interaktion mit Metallkondensat auf die relative Dichte von Probekörpern für die Werkstoffe Ti6Al4V und Inconel 718 untersucht. Dabei sinkt die relative Dichte generell mit höherer Wahrscheinlichkeit der Interaktion. Um den Einfluss von Fremdpartikeln zu untersuchen, wird deren Größe, Anzahl und Lage auf der Oberfläche von Probekörpern im Prozess mittels eines Laser-Profilsensors erfasst. Die so erzeugten Kennwerte werden anschließend mit μCT-Scans sowie der relativen Dichte der Probekörper korreliert. Zum Abschluss wird der Einfluss der Schutzgasströmung auf den Prozess diskutiert. Dazu wird diese ortsaufgelöst mittels eines thermischen Anemometers unter prozessnahen Bedingungen gemessen. Anschließend werden die ermittelten Strömungsprofile mit der relativen Dichte von Probekörpern aus Ti6Al4V und Inconel 718 korreliert. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wird unter Berücksichtigung der zuvor gewonnenen Erkenntnisse zur Laserstrahl-Metallkondensat-Interaktion ein verbessertes Strömungsprofil für zukünftige L-PBF-Anlagen abgeleitet.

Using the additive manufacturing process Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), workpieces with an almost unlimited freedom of geometry are produced layer by layer from a fine metallic powder. The resulting properties of the workpieces are thereby to a certain extend determined by the process itself. Defects like pores, cracks and lack-of fusion can for example deteriorate the mechanical properties. As of today, the formation of such defects is not fully understood, making their occurrence seem random. The scope of this work is the investigation of mechanisms which can lead to the formation of such defects. The objectives of this work are investigations on the influence of focal shift (1) and the interaction of laser radiation with process by-products (metal condensate, splashes, ejected and entrained powder particles) (2) on the L-PBF process. Moreover, the influence of the shielding gas flow is investigated (3) since the flow is supposed to remove process by-products from the laserpowder interaction zone and is therefore a main influencing factor on the aforementioned interaction. Focal shift in L-PBF systems can be induced by the physical properties of the optics and by additional external influences. As for external influences, the contamination of the laser window from process by-products is investigated. For both influences the focal shift is measured using a non-moving laser beam and correlated with the time and space dependent relative density of test specimen made from 1.4404. While an influence of the focal shift induced by the optics itself can be proven, no correlation between the contamination and the relative density can be found. The investigations on the interaction of laser radiation with process by-products are conducted separately for metal condensate and splashes/ejected and entrained powder particles (alien particles) using the material Ti6Al4V. First, the general correlation of the emission of process by-products with laser power, scan speed and beam diameter is investigated using a high speed camera. The experiments show that the higher the laser´s intensity, the more shallow the ejection angle of the by-products. The influence of the interaction of metal condensate with laser radiation on the relative density of test specimen is studied using Ti6Al4V and Inconel 718. It can be shown that the relative density decreases when the chance of interaction increases. A laser scanner is used to determine the size, amount and position of alien particles on the surface of test specimen before and after exposure. These values are correlated with μCT scans as well as the relative density. Finally, the influence of the shielding gas flow on the process is discussed. To do so, the space resolved flow is measured using a thermal anemometer. The retrieved flow profiles are correlated with the relative density at each location using the materials Ti6Al4V and Inconel 718. An improved shielding gas flow is proposed considering the previously gained results.

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