Wie Röntgenstrahlen das Verhalten von Spritzern beim 3D-Druck offenbaren

Die von den UCL-Forschenden durchgeführten Untersuchungen zeigen und erklären die Zusammenhänge zwischen der Form der Dampfdepression und der Spritzerdynamik während der LPBF unter verschiedenen industrierelevanten Verarbeitungsbedingungen.

Spatter, also versprühte Partikel, die sich während des Schmelzprozesses bilden, sind ein wesentlicher Faktor für Oberflächendefekte in additiv gefertigten Bauteilen. Diese Defekte können die Ermüdungsfestigkeit der Bauteile beeinträchtigen, was vor allem in sicherheitskritischen Anwendungen von großer Bedeutung ist.

„Spritzer sind eines der Hauptprobleme bei industriellen 3D-Druckanwendungen, die zur Bildung von Porosität und rauen Oberflächen beitragen können“, sagte Chu Lun Alex Leung, der korrespondierende Autor der Studie und außerordentlicher Professor für Maschinenbau am UCL. „Die Einführung von LPBF für sicherheitskritische Anwendungen wird durch die Herausforderung behindert, fehlerarme Metallteile mit hoher Oberflächenqualität zu erhalten.“

Das Team verwendete für seine Experimente ein speziell entwickeltes 3D-Drucksystem, den sogenannten Quad-ISOPR (Quad-laser in situ and operando process replicator). Diese Anlage umfasst vier Laser und ein industrielles Scan-System, das in einer Kammer mit Argongas arbeitet. Dadurch konnten die Forschenden mit hochauflösenden Synchrotron-Röntgenstrahlen die Dynamik von Schmelzbad und Spatter in Echtzeit beobachten.

Professor Peter D. Lee, ebenfalls korrespondierender Autor und Professor für Maschinenbau am UCL, betonte: „Derzeit ist die Forschung über Spritzer bei LPBF begrenzt, und unser Ziel ist es, unser Verständnis der Mechanismen der Spritzerbildung mit Hilfe von hochenergetischen Synchrotron-Röntgenquellen zu verbessern.“

„Unsere Arbeit sagt die Anzahl der Spritzer voraus, die sich während LPBF in einem Al-Zr-Fe-Legierungssystem bilden“, sagte Erstautor Da Guo, Post-Doc an der Schule. „Diese Vorhersage kann für die zukünftige Modellvalidierung und die Minimierung von Spritzern genutzt werden.“

Die Forschenden planen, ihre Arbeit auf andere kommerzielle Materialien auszuweiten, um eine höhere Oberflächenqualität bei additiv gefertigten Bauteilen zu erreichen. Ziel ist es, die breite Anwendung von LPBF in der Industrie zu fördern, insbesondere in Bereichen, in denen die Integrität der Bauteile entscheidend ist.