Besser und schneller 3D-drucken

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Additive Manufacturing
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Eine neue Software sorgt für gleichmäßige Wärmeverteilung, reduzierte Eigenspannungen und weniger Verformungen im additiven Laser-Pulverbett-Verfahren.

Das Laser-Pulverbett-Verfahren (SLM) ist eine Form des 3D-Drucks, das in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie und in der Biomedizin zur Herstellung von Teilen verwendet wird, die für die herkömmliche Fertigung zu kompliziert sind. Dabei werden Schichten aus pulverförmigem Metall oder Kunststoff mit einem Laser verschmolzen. Die Hitze des Lasers kann sich jedoch während des Druckvorgangs in den empfindlichen Teilen stauen und zu Verformungen und anderen Defekten führen.

Forscher weisen darauf hin, dass die Scan-Sequenz relevant für das Erreichen einer gleichmäßigen Temperaturverteilung beim SLM ist. Die Scanreihenfolge wird jedoch nach wie vor offline auf der Grundlage von Versuch und Irrtum bestimmt. Ein Team der Universität von Michigan hat nun mit der Software SmartScan einen intelligenten Ansatz zur Optimierung der Scan-Sequenz entwickelt, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung und damit eine Verringerung der Eigenspannungen und Verformungen in SLM zu erreichen. 

"Dieses Problem wird bei Teilen mit sehr dünnen Strukturen noch gravierender", so Chinedum Okwudire, Associate Professor für Maschinenbau an der Universität Michigan und Co-Autor der Studie. "Die Hitze hat nicht viel Platz, um sich auszubreiten, also muss man sich gut überlegen, wie man den Laser bewegt, sonst verformt sich das Teil auf wirklich seltsame Weise."

Die Software SmartScan geht das Problem an, indem sie berücksichtigt, wie die Wärme innerhalb eines bestimmten Teils fließt. Sie bildet eine optimierte Scan-Sequenz ab, um die Wärmeansammlung in einem bestimmten Bereich zu begrenzen. Dabei werden die Form des Teils und die thermischen Eigenschaften des verwendeten Materials analysiert, einschließlich der konduktiven und konvektiven Wärmeübertragung.

Der Herstellungsprozess kann dadurch in zweierlei Hinsicht beschleunigt werden: Die Drucker müssen nicht mehr so schnell abbremsen, um die Kühlung zu unterstützen, und hitzebedingte Fehler, die nach dem Druck korrigiert werden müssen, werden deutlich reduziert.

In Experimenten führt SmartScan zu einer Verbesserung der Wärmeverteilung um bis zu 41 % und zu einer Verringerung des Verzugs um 47 % im Vergleich zu bestehenden Ansätzen. Es zeigt sich auch, dass die Software robust und rechnerisch effizient genug ist, um in Zukunft online implementiert zu werden. 

Das Produkt wurde auf der größten nordamerikanischen Konferenz für additive Fertigung, der RAPID + TCT Conference vorgestellt. Die Universität von Michigan hat Patentschutz beantragt und sucht Partner, um die Technologie auf den Markt zu bringen.

https://umich.edu

Kurzfassung der Studie

SmartScan: An intelligent scanning approach for uniform thermal distribution, reduced residual stresses and deformations in PBF additive manufacturing

www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860422000495