Neue Perspektiven für die additive Fertigung von Metallen

Praktikabler 3D-Druck von Metallteilen

Forschung
Publikationen und Studien
Additive Manufacturing
Laser Powder Bed Fusion ist ein weit verbreitetes Verfahren der additiven Fertigung. Dabei können sich jedoch Poren im Material bilden, die dessen Gesamtstruktur schwächen. Britischen Forschern ist es gelungen, diesen Effekt erheblich zu reduzieren.

Die additive Fertigung umfasst eine Vielzahl von Materialverarbeitungsverfahren, von denen das LPBF-Verfahren (Laser Powder Bed Fusion) am weitesten verbreitet ist. Bei dem Verfahren wird durch selektives Strahlschmelzen in einem Pulverbett die Querschnittfläche eines Bauteils aufgeschmolzen. Dabei können sich jedoch Poren im Material bilden, die dessen Gesamtstruktur schwächen. Für Branchen, die auf Hochleistungskomponenten angewiesen sind, wie z. B. die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, das Gesundheitswesen und die Verteidigung, führen solche über das gesamte Bauteil verteilten Fehlstellen zu einem inakzeptablen Grad an Materialporosität.

In einem dreijährigen Forschungsprojekt am Institut für Photonik und Quantenwissenschaften an der Heriot-Watt University in Edinburgh zu grundlegenden physikalischen Zusammenhänge des LPBF-Verfahrens wurde unter anderem untersucht, wie sich Defekte in gedruckten Teilen verringern lassen.

Dr. Ioannis Bitharas, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts für Photonik und Quantenwissenschaften an der Heriot-Watt University, erklärt: „Während des additiven Fertigungsprozesses erzeugt der Hochleistungslasers eine kleinen Lache aus flüssigem Metall, um die Partikel miteinander zu  verschmelzen. In dieser Phase verdampft eine winzige Menge Metall und drückt gegen die Flüssigkeit, wodurch ein Hohlraum in der Mitte des Schmelzbads entsteht. Dieser Hohlraum kann instabil werden und zusammenbrechen, was zu Poren im Material führt.“

Das Team analysierte das Zusammenspiel von Gas-, Dampf-, Flüssigkeits- und Festphasen während des Druckprozesses durch simultanen Einsatz von Röntgen- und Schlierenbildern. Dabei stellt es einen direkten Zusammenhang zwischen dem Verhalten der durch die Verdampfung des Metalls freigesetzten Dampffahne und der Gesamtstabilität des geschmolzenen Materials fest. 

Durch Feinabstimmung der Laserparameter konnte das Team die Stabilität der Dampfwolke und des Schmelzbads steuern und so die gedruckte Struktur wesentlich gleichmäßiger gestalten. „Die Aufnahmen liefern zum ersten Mal ein vollständiges Bild solcher Wechselwirkungen, und wir können jetzt mit Sicherheit sagen, was passiert." so Bitharas.

Professor Andrew Moore, Leiter der Forschungsgruppe Optische Diagnostik an der Heriot-Watt University, sagte: "Bisher konzentrierte sich die Forschung auf die Erkennung und Vorhersage von Defekten auf der Grundlage des Verhaltens des flüssigen Metalls oder der Partikel, wobei die Auswirkungen des Dampfstrahls und der über dem Schmelzbad erzeugten Rauchfahne oft übersehen wurden. Was wir gefunden haben, eröffnet aufregende neue Perspektiven für den 3D-Druck: Wir können diese Unvollkommenheiten erheblich reduzieren und Bauteile herstellen, die weitaus weniger fehleranfällig sind.“

Die Forschungsarbeit wurde von Renishaw, dem einzigen Hersteller von LPBF-Systemen in Großbritannien, im Rahmen seiner strategischen Allianz mit der Heriot-Watt University unterstützt. Das Team wird weiterhin mit Renishaw zusammenarbeiten, um die neuen Erkenntnisse zur Verbesserung der 3D-Druckmaschinen zu nutzen.

Der Forschungsartikel des Heriot-Watt-Teams mit dem Titel "The interplay between vapor, liquid, and solid phases in laser powder bed fusion" (Das Zusammenspiel von Dampf-, Flüssig- und Festphasen bei der Laser-Pulverbett-Fusion) wurde in der wissenschaftlichen Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

www.hw.ac.uk

Zum vollständigen Artikel:

www.nature.com/articles/s41467-022-30667-z

Bitharas, I., Parab, N., Zhao, C. et al. The interplay between vapour, liquid, and solid phases in laser powder bed fusion. Nat Commun 13, 2959 (2022). doi.org/10.1038/s41467-022-30667-z