Erhöhung der Aufbaurate beim Laser Powder Bed Fusion durch Bearbeitung mit zwei gekoppelten Laserstrahlen

Lantzsch, Tim; Häfner, Constantin Leon; Kaierle, Stefan

doi:HT030784052

Erhöhung der Aufbaurate beim Laser Powder Bed Fusion durch Bearbeitung mit zwei gekoppelten Laserstrahlen = Increasing the build-up rate in Laser Powder Bed Fusion by processing with two coupled laser beams

Lantzsch, Tim^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabeTim Lantzsch

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-222-1

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Häfner, Constantin Leon (Thesis advisor)^RWTH* ; Kaierle, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-04-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-06264
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/988553/files/988553.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Laserstrahlschmelzen (frei) ; Lasertechnik (frei) ; additive Fertigung (frei) ; additive manufacturing (frei) ; laser powder ped fusion (frei) ; laser technology (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Laser Powder Bed Fusion (LPBF, dt. Laserstrahlschmelzen) ist das verbreitetste Additive Fertigungsverfahren für metallische Werkstoffe aufgrund der Möglichkeit der direkten, losgrößenunabhängigen Herstellung komplexer Funktionsbauteile auf Basis von 3D-CAD Daten. Zu den derzeit größten Herausforderungen beim LPBF zählt die geringe Aufbaurate durch große Prozesszeiten. Folglich ist die Erhöhung der Aufbaurate ein wichtiger Schritt für die breitere Nutzung des LPBF in der Produktion. Aktuelle Ansätze zur Erhöhung der Aufbaurate umfassen insbesondere die parallele Bearbeitung mit mehreren unabhängigen Laser-Scanner-Systemen sowie die Verwendung größerer Laserleistung in Verbindung mit der Anpassung von Laserstrahldurchmesser und Intensitätsverteilung. Alternative Ansätze wie die Bearbeitung mir mehreren gekoppelten Laserstrahlen sind aus anderen Bereichen der Lasermaterialbearbeitung bekannt, allerdings für das LPBF noch weitestgehend unerforscht. Unter gekoppelten Laserstrahlen wird dabei die gemeinsame Bewegung mehrerer Laserstrahlen durch ein Positioniersystem verstanden. In dieser Arbeit wird dementsprechend die Erhöhung der Aufbaurate beim LPBF durch Bearbeitung mit zwei gekoppelten Laserstrahlen untersucht. Zur Umsetzung des LPBF mit zwei gekoppelten Laserstrahlen wird zunächst ein optisches System entwickelt. Dafür wird ein bestehendes optisches System für das LPBF um eine Zweistrahloptik zur Anpassung der relativen Laserstrahlpositionen ergänzt und charakterisiert. Unter Einsatz des entwickelten optischen Systems werden High-Speed Videoaufnahmen des LPBF-Prozesses unter Variation des Laserstrahlabstandes und der Leistungsverteilung auf beide Laserstrahlen erzeugt und analysiert, um geeignete Konfigurationen für das LPBF mit zwei gekoppelten Laserstrahlen zu identifizieren. Die ermittelten Konfigurationen dienen als Ausgangspunkt für die Bestimmung der Prozessfenster für das LPBF mit zwei gekoppelten Laserstrahlen. Unter Variation der LPBF-Verfahrensparameter werden Kombinationen bestimmt, mit denen eine relative Bauteildichte oberhalb von 99,9% für die Nickelbasislegierung Inconel ® 625 erzielt werden können. Weiterhin wird die Ausbildung von Prozessnebenprodukten und deren Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis betrachtet. Die ermittelten Prozessführungsstrategien stellen die Grundlage für das abschließende Benchmarking sowie die Fertigung eines Demonstrators dar. Im Rahmen des Benchmarkings wird das LPBF mit zwei gekoppelten Laserstrahlen hinsichtlich der resultierenden Mikrostruktur, mechanischen Eigenschaften, Oberflächenqualität sowie Verzug und Maßhaltigkeit der gefertigten Bauteile mit dem Single-Laser LPBF gemäß dem Stand der Technik verglichen. Zudem werden die theoretische und reale Aufbaurate bei der Fertigung verschiedener Geometrieklassen berechnet, um das Potenzial zur Erhöhung der Aufbaurate gegenüber dem Single-Laser LPBF abzuschätzen.

Laser Powder Bed Fusion (LPBF) is the most widespread additive manufacturing process for metallic materials due to the possibility of direct, batch size-independent production of complex functional components based on 3D-CAD data. Currently, one of the main challenges in LPBF is the low build-up rate due to large processing times. Consequently, increasing the build-up rate is an important step for the wider use of LPBF in production. Current approaches to increasing the build-up rate include parallel processing with multiple independent laser scanner systems as well as the use of larger laser power in combination with the adjustment of laser beam diameters and intensity distributions. Alternative approaches such as processing with multiple coupled laser beams are known from other areas of laser material processing but are still largely unexplored for LPBF. Coupled laser beams are defined as the joint movement of multiple laser beams through one positioning system. Accordingly, in this work the increase of the build-up rate in LPBF by processing with two coupled laser beams is investigated. To implement LPBF with two coupled laser beams, an optical system is developed. For this purpose, the existing optical system of a LPBF machine is supplemented with a two-beam optical system for adjusting the relative laser beam positions and characterized. Using the developed optical system, high-speed video recordings of the LPBF process with variation of the laser beam spacing and power distribution to both laser beams are generated and analyzed to identify suitable configurations for LPBF with two coupled laser beams. The identified configurations serve as a starting point for determining the process windows for LPBF with two coupled laser beams. By varying the LPBF process parameters, combinations which yield a relative component density above 99.9% are determined for the nickel-based alloy Inconel ® 625. Furthermore, the formation of process by-products and their influence on the processing result is considered. The determined processing strategies serve as the basis for the final benchmarking as well as the manufacturing of a demonstrator. In the benchmarking, the LPBF with two coupled laser beams is compared with single-laser LPBF according to the state of the art with respect to the resulting microstructure, mechanical properties, surface quality as well as warpage and dimensional accuracy of the manufactured components. In addition, the theoretical and real build-up rate to produce different geometry classes are calculated to estimate the potential for increasing the build-up rate compared to single-laser LPBF.

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