LLNL Forscher entdecken wahren Grund für Defekte beim Metall-3D-Druck

Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in den USA haben im Rahmen einer Studie den tatsächlichen Grund für Spritzer beim pulverbettbasierten Laserdruck mit Metall entdeckt, die zu Defekten in den gefertigten Teilen führen. Wie bislang vermutet ist nicht der Rückstoßdruck, sondern sind durch die Gaszirkulation eingetragene Partikel verantwortlich für dieses Phänomen. 

Wenn Spritzpartikel aus dem Laserpfad hinausfliegen und zurück auf den Teilen landen wird das Pulverbett kontaminiert, was die Qualität der Bauteile beeinträchtigt. In der Studie “Metal vapor micro-jet controls material redistribution in laser powder bed fusion additive manufacturing” die im wissenschaftlichen Fachjournal Scientific Reports veröffentlicht wurde, hat das Forscherteam mittels ultraschnellen bildgebenden Verfahren die Dynamik im Schmelzprozess mit hochauflösenden Simulationen erfasst. Dabei konnten sie feststellen, dass flüssige Metallpartikel bzw. Spritzer, die bei pulverbettbasierten Verfahren durch den Laser erzeugt werden, mit dem Gasstrom zurück zum Laser gelangen, geschmolzen werden und so für Defekte im gedruckten Metallteil sorgen.

“Bislang hat man vermutet dass der Rückstoßdruck die Spritzer verursacht, da dies auch im Bereich des Laserschweißens beobachtet wurde,” erklärt Sonny Ly vom LLNL. “Wir haben Aufnahmen direkt am Schmelzbad gemacht, wobei man Partikel sehen konnte die durch den Rückstoß aus dem Bad herausgeschleudert wurden. Die Mehrzahl der Partikel wurde aber weggetragen und durch die Gaszirkulation wieder eingetragen. Die eingetragenen Partikel gelangen zurück in den Laserstrahl und werden geschmolzen, was zu der überwiegenden Form von Spritzern führt.”

Die Hochgeschwindigkeits-Video-Bilder wurden von drei Kameras aufgezeichnet. Dabei beobachteten die Forscher nicht nur die vom Laser erzeugte Druckwelle sondern auch die Gasströmung über dem Pulverbett, welche die Partikel einsaugt. Diese wurden dann entweder sofort geschmolzen oder konnten unberührt durch den Laser fliegen.

“Es hat sich herausgestellt, dass nur rund 15% der ausgeworfenen geschmolzenen Partikel durch Spritzer im Schmelzbad entstehen, was als zugrunde liegender Mechanismus vermutet wurde. Der Rest sind primär kalte Partikel die über dem Schmelzpool durch den Laserstrahl passieren und einige andere Faktoren,” erklärt LLNL Ingenieur Gabe Guss.

Laut den Wissenschaftlern könnte diese Ergebnisse grundlegende Fragen über den pulverbettbasierten Druckprozess beantworten und die bestehende Physik der Strömungsmodelle verbessern.