Schematische Darstellungen der Einfluss- und Untersuchungsgrößen
Quelle: BAM, Fachbereich Schweißtechnische Fertigungsverfahren und Fachbereich Thermografische Verfahren
Die additiven Fertigungsverfahren bieten durch ihren schichtweise arbeitenden Fertigungsprozess eine hohe Gestaltungsfreiheit in der Konstruktion von Bauteilen und spielen ihre Vorteile vor allem bei kleinen Stückzahlen und hohen Individualisierungsgraden aus. Zur Herstellung metallischer Komponenten ist das pulverbettbasierte selektive Laserstrahlschmelzen, engl. Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), die am weitesten verbreitete additive Technologie. Ein Volumenmodell eines dreidimensionalen Bauteils wird zunächst in Schichten definierter Stärke zerlegt. Anhand der Geometrieinformationen der dabei erhaltenen zweidimensionalen Querschnitte wird schichtweise ein metallisches Pulver durch einen hochfokussierten Laserstrahl aufgeschmolzen, wodurch nach anschließender Rascherstarrung fester Materialzusammenhalt geschaffen wird. Dieser Fertigungsprozess besitzt eine Vielzahl von Faktoren, die Einfluss auf die resultierenden mechanischen Eigenschaften und die Qualität der entstehenden Bauteile haben. In der Literatur ist dabei die Zwischenlagenzeit als Zeit zwischen dem wiederholten Aufschmelzen von Volumenelementen an derselben lateralen Position in der nachfolgenden Schicht bisher kaum beachtet worden. Sie wird maßgeblich durch die Geometrie des zu fertigenden Bauteils und durch die Auslastung des Pulverbettvolumens beeinflusst.
Das Ziel dieser Studie ist es, den Effekt von verschiedenen Zwischenlagenzeiten auf die Abkühlung von L-PBF Bauteilen aus der austenitischen Stahllegierung 316L während des Fertigungsprozesses sowie auf die entstehende Mikrostruktur, Defektbildung und Härte zu untersuchen. Neben der Zwischenlagenzeit werden zusätzlich drei verschiedene Volumenenergiedichten der Fertigungsprozessparameter betrachtet. Für die Analyse der Abkühlung wird eine in-situ Prozessüberwachung mittels Thermographiekamera durchgeführt. Es wird gezeigt, dass die Zwischenlagenzeit und die Bauteilhöhe einen signifikanten Effekt auf die Wärmeakkumulation innerhalb der Bauteile während der Fertigung haben. Es wird außerdem gezeigt, dass dadurch die Größe der Subkornstrukturen, der Schmelzbadgeometrie und der Bauteilhärte signifikant beeinflusst werden. Zudem kann eine Erhöhung der Defektdichte innerhalb der Bauteile als Wechselwirkung zwischen Bauteilhöhe, Zwischenlagenzeit und Volumenenergiedichte festgestellt werden. Die Zwischenlagenzeit wird als kritische Einflussgröße für die Fertigung mittels L-PBF besonders für Bauteile mit kleinem Querschnitt identifiziert.
Effects of inter layer time and build height on resulting properties of 316L stainless steel processed by laser powder bed fusion
Gunther Mohr, Simon J. Altenburg, Kai Hilgenberg
erschienen in Additive Manufacturing, Band 32, Seiten 101080-1 bis 101080-13, 2020
BAM, Fachbereich Schweißtechnische Fertigungsverfahren und Fachbereich Thermografische Verfahren