Analytisches Schmelzbad-Modell für LPBF-Metall-3D-Druck entwickelt

Die Physik, die in Metall-Laser-Pulver-Bett-Fusionssystemen (LPBF) abläuft, ist komplex und besteht aus zahlreichen Variablen. Viele dieser Variablen wirken sich auf das Schmelzbad aus, wo der Laser der Maschine auf das Metallpulverbett trifft und eine Pfütze aus geschmolzenem, heißem Material bildet. So wichtig dieser Bereich auch sein mag, die Hersteller von Metall-3D-Druckern tun sich immer noch schwer, ihn vollständig zu verstehen und zu kontrollieren. Ein neues mathematisches Modell zur Berechnung der optimalen Schmelzbadabmessungen, das von einem Forscher an der KU Leuven entwickelt wurde, könnte dies ändern.

Einer der wichtigsten Aspekte beim industriellen 3D-Druck ist die Möglichkeit wiederholbar und zuverlässig Objekte herzustellen. Beim LPBF-Verfahren ist das Schmelzbad ein wichtiger Faktor. Die Größe und die Form wirken sich letztlich auf das Endprodukt aus.

Aus diesem Grund sind Berechnungen in diesem Bereich sehr wichtig und aus diesem Grund versuchen verschiedene Forscher Modelle hierzu zu entwickeln. Um das richtige Schmelzbad zu finden, neben anderen Variablen wie der Teileausrichtung und der Platzierung der Stützstruktur, gibt es in der Regel zwei Möglichkeiten.

Die traditionelle Methode ist ein mühsames und kostspieliges Versuch-und-Irrtum-Verfahren, bei dem verschiedene Einstellungen gewählt werden, bis das gewünschte Ergebnis erreicht ist. Das neuere Verfahren beruht auf dem Einsatz fortschrittlicher Simulationssoftware zur Vorhersage der Physik einer Vielzahl von Einstellungen. Die Nachteile des erstgenannten Verfahrens liegen auf der Hand, aber auch der Einsatz von Computersimulationen ist auf technisches Know-how, oft leistungsfähige Computer und die für die Ausführung der Szenarien erforderliche Zeit angewiesen.

Viktor Coen, ein Forscher der Additive Manufacturing Research Group an der Fakultät für Maschinenbau, Fertigungsprozesse und -systeme der KU Leuven, hat eine möglicherweise elegante Lösung entwickelt. Laut Coen besteht das Schmelzbad bei LPBF aus einem Volumen geschmolzenen Metallpulvers, in dem an den Rändern des Schmelzbads die Temperatur der Schmelztemperatur des Metallmaterials entspricht. Unter Verwendung von Gleichungen aus der Wärmetheorie schlug Coen vor, dass die Grenze des Schmelzbades bestimmt werden kann und in der Folge auch die Tiefe und Breite des Schmelzbades.

Um sein Modell zu testen, führte Coen ein Experiment durch, in dem er einzelne Streifen aus Ti6Al4V mit einer Reihe von Laserleistungen und Scangeschwindigkeiten auf ein festes Substrat druckte. Anhand von Querschnitten konnte die Tiefe und Breite jedes Schmelzbads gemessen werden, erklärte Coen in einem Gespräch mit 3dprint. Laut seinen Tests konnten seine Berechnungen die Schmelzbäder mit einem durchschnittlichen Fehler von etwa 30 % vorhergesagt werden.