Spritzermechanismus der additiven Laser-Pulverbettschmelzfertigung auf heterogenen Oberflächen

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 20384 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die additive Fertigung mit Laserpulver (PBF-LB) ist eine additive Fertigungsmethode, mit der hochpräzise und vollständig dichte Teile hergestellt werden können. Die zerstörungsfreie Qualitätssicherung, dass keine internen Mängel vorliegen, bleibt jedoch eine Herausforderung. Die Minderung interner Defekte erfordert die Aufklärung ihres Entstehungsmechanismus und die Verbesserung der PBF-LB-Prozessbedingungen. Aus diesem Grund haben wir ein In-situ-Überwachungssystem entwickelt, das die Messung der Oberflächenmorphologie durch Streifenprojektion und Wärmefeldmessung mit einer Hochgeschwindigkeitskamera kombiniert. Auf heterogenen Oberflächen änderte sich in einem praktischen mehrspurigen PBF-LB-Prozess ein Rauheitsindex der Oberfläche des gebauten Teils zyklisch, im Einklang mit der Änderung des Winkels zwischen Laserscanning und atmosphärischem Gasstrom. Die Hochgeschwindigkeitskameraüberwachung zeigte, dass das Schmelzbad asymmetrisch und spindelförmig war und dass Spritzer hauptsächlich von der bebauten Teilseite des Schmelzbades austraten. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Oberflächenmorphologie der eingebauten Teile unter der Pulverschicht die Stabilität des Schmelzbades beeinflusst. Als Ergebnis wurde eine grafische Darstellung des Schmelzbades und der Spritzerbildung für heterogene Oberflächen vorgeschlagen. Obwohl es immer noch schwierig ist, theoretisch das Prozessfenster abzuschätzen, in dem keine Spritzer und keine internen Defekte auftreten, liefern In-situ-Überwachungsgeräte Erkenntnisse zur Aufklärung von Spritzern und der Bildung interner Defekte.

Die additive Fertigung mit Laser-Pulverbettfusion (PBF-LB) wird häufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie1,2 und der Medizinindustrie3,4 eingesetzt. Allerdings weist das PBF-LB-Verfahren mehrere Einschränkungen auf, die mit der Verschlechterung der Produktqualität aufgrund interner Mikrodefekte und der Gewährleistung einer stabilen Produktherstellung zusammenhängen. Der PBF-LB-Prozess erzeugt 3D-Modelle durch die Zusammenstellung laserbestrahlter Pulverbetten. Bei einem Pulverbett handelt es sich um eine Pulverschicht, die durch erneutes Pulverbeschichten gebildet wird. Anschließend strahlt ein Laser, um die Pulverschicht zu schmelzen und einen 2D-Abschnitt des 3D-Modells zu erstellen. PBF-LB erfordert die Kontrolle verschiedener Parameter in Bezug auf Pulvereigenschaften5,6, Pulverwiederbeschichtung und Bauprozesse7,8. Genauer gesagt, beeinflussen die Pulverbeschichtungsbedingungen und die Pulvereigenschaften, einschließlich der Pulverpartikelgrößenverteilung und der Pulverfließfähigkeit, die Pulverbetteigenschaften, z. B. die Gleichmäßigkeit der Pulverschichtdicke, die Dichte der Pulverschicht und die Oberflächenrauheit. Auch wenn die Bedingungen des Bauprozesses, z. B. Laserbestrahlung und Atmosphärenbedingungen, gleich sind, kann das gebaute Material innere Defekte enthalten, wenn die Eigenschaften des Pulverbetts unterschiedlich sind. Daher ist die Auswirkung der Pulverbetteigenschaften auf den Schmelzprozess während des Laserscannens erforderlich, um die Qualität der Endprodukte sicherzustellen9,10,11,12.

Aktuelle Forschungen zur In-situ-Überwachung des Pulverbetts und der Oberfläche von Bauteilen konzentrierten sich auf die Aufklärung des Mechanismus der Defektbildung13,14,15,16,17,18,19,20. Musterprojektion16, visuelle Wahrnehmung und Interferometrie mit niedriger Kohärenz18 wurden vorgeschlagen, um die Oberflächenmorphologie der gebauten Teile21 zu quantifizieren. Die Oberflächenmorphologie des Pulverbetts wurde jedoch nicht beobachtet und nicht ausreichend berichtet.

Darüber hinaus konzentriert sich die aktuelle Forschung auf den Mechanismus der Defektbildung während des PBF-LB-Prozesses und es werden Überwachungstechniken entwickelt, um die stabile Herstellung hochwertiger Produkte sicherzustellen13,14,15,16,17,18. Der Entstehungsmechanismus von Defekten, die durch Schlüssellochbildung und Spritzerbildung verursacht werden, wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera8,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34 und Mikrosynchrotron X untersucht -Strahlen-Computertomographie (µSXCT)35,36,37,38,39,40,41. Für die einzelne Laserspur auf einem Pulverbett wurden Beobachtungen zum Spritzer- und Schmelzbadverhalten gemeldet42,43,44,45,46,47,48,49,50; Diese Beobachtungen erklären jedoch nicht ausreichend das praktische Laserscanning, das während des PBF-LB-Prozesses durchgeführt wird. Die meisten Untersuchungen wurden für eine einzelne Laserspur auf der gleichmäßigen Pulverbettoberfläche durchgeführt. Der praktische Prozess verwendet jedoch Mehrspuren; Jeder Laser scannt eine Linie mit einer Pulverschichtoberfläche auf der einen Seite und der durch einen vorherigen Laserscan erstellten Oberfläche des festen Teils auf der anderen Seite. Eine Oberfläche mit sowohl einer Pulverschicht als auch einer festen Teiloberfläche wird in dieser Forschung als heterogene Oberfläche bezeichnet. Nach Kenntnis der Autoren liegen keine Berichte zur systematischen Qualifizierung von Spritzern und Schmelzbadverhalten auf der heterogenen Oberfläche vor.

Ziel dieser Forschung ist daher die Aufklärung der Pulverbettbildung und des Schmelzprozesses beim Laserscannen auf einer heterogenen Oberfläche. Darüber hinaus wird ein In-situ-Überwachungssystem zur Qualitätssicherung der mit PBF-LB hergestellten Endprodukte entwickelt.

Eine repräsentative Oberfläche einer Probe, die unter Bedingungen für eine vollständig dichte Fertigung hergestellt wurde, ist in der ergänzenden Abbildung S1 dargestellt. Das REM-Bild zeigt eine relativ regelmäßige Laserstrahlspur und abgelagerte Spritzer. Das Bild der Oberflächenmorphologie, gemessen durch Kohärenz-Scanning-Interferometrie (ZYGO New View™ 9000 CSI System), zeigt, dass die Spritzerhöhe etwa 100 µm beträgt. Obwohl diese Bilder die endgültige Oberfläche der Probe zeigen, erfasst das Schichtüberwachungssystem Oberflächen während der Herstellung (Abb. 1). Abbildung 1a zeigt Überwachungsbilder der Oberflächenmorphologie des Pulverbetts und des Bauteils von der 1250. bis zur 1256. Schicht.

Änderung der Überwachungsbilder der Oberflächenmorphologien des Pulverbetts und des Bauteils. (a) Änderung der Oberflächenmorphologie des Pulverbetts und des unter diesen Bedingungen hergestellten Bauteils; \(P\) = 200 W, \(v\) = 665 mm/s, \(h\) = 0,1 mm, \(z\) = 0,05 mm und \(E\) = 30,1 J/mm3) von der 1250. bis zur 1256. Schicht. (b) Die Werte von 2σ des Pulverbetts und des aufgebauten Teils von der 1249. bis zur 1270. Schicht. Der Scanwinkel ist der Winkel zur vertikalen Linie, die in den Oberflächenbildern von oben nach unten verläuft.

Das Pulverbett wurde zuerst in jeder Schicht gebildet und anschließend wurde durch Laserscannen die Oberfläche des aufgebauten Teils hergestellt. Somit waren die Überwachungsbilder der Pulverbettoberfläche über der Oberfläche grün, was auf eine nahezu gleichmäßige Oberfläche hindeutete. Allerdings enthielten die Überwachungsbilder der bebauten Fläche rote und blaue Punkte. Diese verstreuten Punkte zeigten die scharfen Spitzen mit einer Höhe von +100 µm und Täler mit einer Tiefe von –100 µm an, die zufällig und unabhängig voneinander verteilt waren. Sie schlugen vor, dass die Oberfläche des gebauten Teils durch Laserscannen auf der gleichmäßigen Pulverbettoberfläche aufgeraut wurde.

Der 2σ-Wert der Pulverbettoberfläche lag nahezu konstant bei etwa 10 µm (Abb. 1b). Allerdings veränderte sich der 2σ-Wert der Bauteiloberfläche mit fortschreitender Schichtzahl und schwankte über 60–90 µm; Die Spitzen- und Tiefstwerte wurden bei jeder sechsten Schicht beobachtet. Die Periode der 2σ-Wertänderung des gebauten Teils fiel mit der Periode der Änderung des Winkels zwischen der Scanrichtung und dem atmosphärischen Gasfluss zusammen.

Die makroskopische Beobachtung des Laserscannings mit einer CCD-Kamera lässt die Richtung der Spritzerbildung erkennen (Abb. 2). Unter den aktuellen Prozessbedingungen verteilten sich Spritzer hauptsächlich von der Seite des Bauteils. Im Gegensatz dazu neigten die Spritzer von der Seite des Pulverbetts dazu, in vertikaler Richtung über dem Schmelzbad auszutreten und wurden durch den atmosphärischen Gasstrom verweht, obwohl die Spritzer nicht häufig auftraten.

CCD-Kamerabild des Laserscannings auf dem Pulver.

Das Hochgeschwindigkeits-Schmelzbadüberwachungssystem erfasst diese Spritzerneigung mikroskopisch (Abb. 3 und Zusatzvideos 1 und 2). Im In-situ-Temperaturfeldbild ist eine Seite der Scanrichtung die Seite des Pulverbetts und die andere Seite die Seite des gebauten Teils. Der grüne Teil zeigt Temperaturen über der Liquidustemperatur der Inconel 718-Legierung (1336 °C) an; Der spindelförmige Bereich repräsentiert das Schmelzbad. Die Temperatur des C-förmigen dunkelbraunen Bereichs am Bug des Schmelzbades überstieg 2000 °C. Das Zentrum des Laserflecks fiel auf den gelben und hohlen Mittelbereich, der von dem dunkelbraunen Bereich umgeben ist, der als Schlüssellochöffnung gilt.

Vom Überwachungsgerät aufgenommene Bilder eines Schmelzbades. (a) Repräsentative Morphologie des Schmelzbades. (b) Sequentielle Bilder des Schmelzbadverhaltens auf einer Oberfläche mit einem relativ niedrigeren \(2\sigma\)-Wert der 1250. Schicht der gebauten Probe, hergestellt unter den Bedingungen (\(P\) = 200 W, \(v \) = 665 mm/s, \(h\) = 0,1 mm, \(z\) = 0,05 mm und \(E\) = 30,1 J/mm3). (c) Sequentielle Bilder des Schmelzbadverhaltens auf einer relativ rauen Oberfläche der 1254. Schicht der unter diesen Bedingungen hergestellten gebauten Probe. Die Zeit \({t}_{n}\) beträgt \(n\times 100\) ns nach dem ersten Frame; \(n=0\).

Darüber hinaus traten kleine heiße Partikel hinter dem Ende des Schmelzbades und an der Seite des eingebauten Teils auf; das waren die Spritzer.

Die Länge und Breite des Schmelzbades wurden bei der Liquidustemperatur der Inconel 718-Legierung (1336 °C) gemessen und betrugen 400–600 µm bzw. 1250–1600 µm.

Die Spritzer traten von der Spitze und dem Seitenrand des Schmelzbades auf und wurden dann von der Seite des gebauten Teils und dem Ende des Schmelzbades ausgeschleudert. Die Dicke des Pulverbetts variiert lokal, wenn eine Bauteiloberfläche mit einem höheren \(2\sigma\)-Wert unter einer Pulverbettoberfläche mit einem niedrigeren \(2\sigma\)-Wert liegt. Die lokale Dickenschwankung kann das Schmelzbadvolumen lokal verändern und die Schmelzbadabmessungen sowie die Spritzerbildung schnell verändern.

Das In-situ-Überwachungssystem zeigte die Unregelmäßigkeit des Schmelzbades am Wendepunkt, an dem sich die Laserscanrichtung um 180° drehte. Dieser Punkt entspricht dem Rand der Teile bzw. dem Rand des Bereichs des Scanmusters. Die Zeitreihenbilder des Schmelzbades am Wendepunkt der 1250. und 1254. Schicht sind in Abb. 4 bzw. in den Zusatzvideos 3 und 4 dargestellt.

Sequentielle Bilder des Schmelzbadverhaltens am Laserwendepunkt der (a) 1250. Schicht und (b) 1254. Schicht der Probe, hergestellt unter der Bedingung (\(P\) = 200 W, \(v\) = 665 mm /s, \(h\) = 0,1 mm, \(z\) = 0,05 mm und \(E\) = 30,1 J/mm3). Die Zeit \({t}_{n}\) beträgt \(n\times 100\) ns nach dem ersten Frame; \(n=0\).

Ein schlankes asymmetrisches Schmelzbad bewegt sich bei \({t}_{0}\) und \({t}_{1}\) und weitet sich am Wendepunkt \({t}_{2}\) auf. Dann nimmt das Schmelzbad bei \({t}_{3}\) eine nahezu runde Form an und bildet anschließend eine schlanke asymmetrische Form. Die 1250. und 1254. Schicht zeigten trotz der unterschiedlichen Oberflächenrauheiten eine ähnliche Tendenz. Der neu geschmolzene Bereich verschmolz mit dem zuvor gebildeten Schmelzbad, bevor er sich umdrehte; daher wurde die Breite des Schmelzbades nahezu verdoppelt. Das letzte Schmelzbad kühlte ab und erstarrte schnell, aber der neue Scan legte noch eine kurze Strecke zurück, und dann nahm das Schmelzbad eine fast runde Form an. Hooper51 berichtete über die Vergrößerung des Schmelzbades am Wendepunkt für Ti–6Al–4 V; Die vorliegenden Ergebnisse stimmen mit ihren Erkenntnissen überein.

Die starke Spritzerbildung am Wendepunkt wurde auch durch das In-situ-Überwachungssystem beobachtet. Auf der Bauteilseite wurden große Spritzer festgestellt und die Konturform des Schmelzbades war stark gestört, was zu Spritzern und sich ablösender Schmelze führen konnte. Kurz nach dem Wendepunkt traten jedoch trotz der Schlüssellochbildung keine Spritzer auf, da sich kein Rückstoßdruck entwickelte, um die Oberflächenspannung der Schmelze zu überwinden. Dann wuchs das Schmelzbad im Rücklauf und begann wieder auf die Seite des gebauten Teils zu spritzen.

Darüber hinaus bestätigte die numerische Analyse die Vergrößerung des Schmelzbades. Abbildung 5a zeigt die Formänderung des Schmelzbades um den Wendepunkt zwischen der dritten und vierten Spur. Die geschätzte Breite des Schmelzbades weitete sich nach dem Umdrehen um etwa das 1,6-fache aus (Abb. 5b). Auch die Tiefe des Schmelzbades vertiefte sich um etwa das 1,2-fache, kann jedoch nicht durch Beobachtung mit dem In-situ-Überwachungssystem gemessen werden (Abb. 5c). Auch wenn die Laserbestrahlung einmal am Wendepunkt stoppte, blieb das Schmelzbad bestehen und betrug mindestens 400 µm (Abb. 5d). Die numerische Analyse unterschätzt jedoch die Schmelzbadtiefe. Wie in Abb. 6 angedeutet, durchdringt die Laserspur am Wendepunkt mehr als drei vorherige Schichten.

Temperaturverteilung des PBF-LB-Prozesses für Inconel 718. (a) Oberflächentemperaturverteilung, (b) Schmelzbad um den Wendepunkt des Laserscannings. (c) Die Tiefe und (d) Breite des Schmelzbades.

Mikrostruktur der Probe am Rand (Laserwendepunkt).

So zeigte das In-situ-Überwachungssystem die drastische Formänderung des Schmelzbades und die starke Spritzerbildung rund um den Wendepunkt auf. Eine ausgefeiltere numerische Analyse kann die starke Spritzerbildung rund um den Wendepunkt abschätzen.

Das System zur Überwachung der Oberflächenmorphologie zeigt, dass jede Pulverbettoberfläche einen niedrigeren \(2\sigma\)-Wert aufweist. Sein Untergrund, also die zuvor bebaute Teiloberfläche, hat jedoch den höheren \(2\sigma\)-Wert, und der Wert variiert je nach Schicht. Da die Proben unter vollständig dichten Bedingungen hergestellt wurden, wurden nur wenige große Spritzer emittiert und es bildeten sich relativ regelmäßig modulierte Strahlspuren. Durch die Pulverbeschichtung wurden diese Unregelmäßigkeiten beseitigt. Aufgrund dieser Spritzer und Modulationen schwankte der 2σ-Wert der Oberfläche des gebauten Teils über 60–90 µm. Obwohl die Maschineneinstellung der Pulverbettdicke \(z\) = 50 µm betrug, wurde die effektive Pulverbettdicke auf \(z/\varepsilon\) = 83 µm geschätzt, wobei die Schüttdichte des Pulvers \( \varepsilon \ungefähr\) 0,6 (Ergänzungsmaterial). Die effektive Schichtdicke reichte aus, um den Großteil der Oberflächenunregelmäßigkeiten des Bauteils zu verdecken. Somit war der 2σ-Wert des Pulverbetts, etwa 10 µm, vergleichbar mit der Differenz zwischen dem maximalen 2σ-Wert des Bauteils, etwa 90 µm, und der tatsächlichen Schichtdicke, 83 µm.

Die Rauheit der Oberfläche des gebauten Teils war nicht zufällig, sondern wurde durch die Scanrichtung bestimmt. Wie in Abb. 1b dargestellt, spiegelt die periodische Änderung des 2σ-Werts der Oberfläche des gebauten Teils einen Winkel zwischen der Scanrichtung und dem atmosphärischen Gasstrom wider; niedrig für Seitenwind oder senkrechte Gasströmung und hoch für Gegen-/Rückenwind oder parallele Gasströmung. Der Seitenwind kühlt die gesamte Schmelzbadoberfläche gleichmäßig vom Kopf bis zum Schwanz; Dann ist das Schmelzbad stabil und bildet eine Oberfläche mit einem relativ niedrigeren \(2\sigma\)-Wert (ergänzende Abbildung S2). Umgekehrt kühlt der Gegenwind das Schmelzbad ungleichmäßig ab. Der Gegenwind kühlt zuerst den Kopfteil, um die zugeführte Wärme zu verringern und das gesamte Schmelzbad zu verkleinern, und der Rückenwind kühlt zuerst den Heckteil, um das Schmelzbad zu verkürzen. Da sich für den Fall von Gegenwind und Gegenwind zwei Arten von Schmelzbecken in einer Schicht bilden, wird der \(2\sigma\)-Wert der Oberfläche des gebauten Teils höher.

Das Hochgeschwindigkeits-Überwachungssystem für das Schmelzbadverhalten zeigt die asymmetrische Form des Schmelzbades auf der heterogenen Oberfläche, bestehend aus dem Pulverbett auf der einen Seite und der vorherigen Laserspur auf der anderen Seite. Die Wärmeleitfähigkeit des Pulverbetts ist geringer als die der Laserspur23,24. Dieser Unterschied führt dazu, dass die Form des Schmelzbads in Scanrichtung asymmetrisch ist. In-situ-Überwachungen in früheren Untersuchungen52,53 deuten darauf hin, dass die Form des Schmelzbads aufgrund des einspurigen Laserscannens symmetrisch ist, was bedeutet, dass sich auf beiden Seiten der Scanrichtung das Pulverbett befindet. Unsere Beobachtung bezog sich jedoch auf das praktische Szenario, bei dem sich das Pulverbett und das Bauteil auf unterschiedlichen Seiten befanden. Solche heterogenen Oberflächenbedingungen führen zu einem asymmetrischen Schmelzbad.

Die Kombination der Oberflächenmorphologie-Überwachungsdaten und des Hochgeschwindigkeits-Überwachungsbildes legt den Zusammenhang zwischen der Oberfläche des gebauten Teils und der Schmelzbadstabilität nahe. Das Pulverbett der 1250. Schicht bildet sich über dem aufgebauten Teil der 1249. Schicht mit einer Oberflächenmorphologie von 2σ = 65 µm; Die Schmelzbadabmessungen der 1250. Schicht bleiben konstant, und an der Schmelzbadspitze entstehen Spritzer, die ausgeworfen werden (Abb. 3b). Im Gegensatz dazu sind die Schmelzbadabmessungen der 1254. Schicht größer als die der 1250. Schicht und instabil (Abb. 3c). Das 1254. Pulverbett wird über der rauen Oberfläche des Aufbauteils der 1253. Schicht mit 2σ = 80 µm gebildet. Spritzer entstehen an der Spitze und am Seitenrand des Schmelzbades und werden von der Bauteilseite und dem Ende des Schmelzbades ausgeschleudert. Die Dicke des Pulverbetts variiert lokal, wenn eine raue Oberfläche eines Bauteils unter der Pulverbettoberfläche liegt. Die lokale Dickenschwankung kann das Schmelzbadvolumen lokal verändern und zu einer schnellen Änderung der Schmelzbaddimensionen und zu Spritzern führen. Somit beeinflusst die heterogene Oberflächen- und Untergrundrauheit die Abmessungen des Schmelzbads; Es ist jedoch eine Grundvoraussetzung, dass sie hauptsächlich von den Herstellungsbedingungen beeinflusst werden.

Der mögliche Messfehler muss erwähnt werden. Erstens kann die vom Laserpunkt emittierte Wolke einen Messfehler verursachen. Hooper wies darauf hin, dass die Wirkung der heißen Wolke, die aus dem Schmelzbad austritt, den beobachteten Breitenwert vergrößert51. Somit ist die Hooper-Breite breiter als optisch anhand des Probenquerschnitts gemessen. Bei dieser Untersuchung war die Temperatur an der Öffnung des Schlüssellochs niedriger als im umgebenden C-förmigen Bereich (Abb. 3). Dieser Bereich könnte von der Wolke bedeckt sein, deren oberer Teil eine niedrigere Temperatur aufwies. Die Wolke verdeckte die Hochtemperatur-Innenfläche des Schlüssellochs53. Bei Edelstahl treten bei einer Laserleistung von 400 W und einer Scangeschwindigkeit von 400–500 mm/s kaum Spritzer und Fahnen auf49. Die Scangeschwindigkeit in der vorliegenden Studie, 665 mm/s, wurde als höher angesehen, um eine Wolke auszusenden; Die In-situ-Überwachung deutet jedoch auf die Emission von Rauchfahnen hin. Darüber hinaus kann die Einschränkung des Temperaturbereichs des Thermoviewers zu einem Messfehler führen. Eine kürzere Schmelzbadlänge kann dadurch verursacht werden, dass die Messung im niedrigeren Temperaturbereich, der dem Schmelzbadende entspricht, aufgrund der Messpriorität im Hochtemperaturbereich nicht möglich ist.

Das Hochgeschwindigkeits-In-situ-Überwachungssystem zeigte die asymmetrische Form des Schmelzbads und die seitlichen Spritzerbildung der eingebauten Teile auf der heterogenen Oberfläche, was dem praktischen Szenario entspricht, aber nach bestem Wissen des Autors in früheren Untersuchungen nicht berichtet wurde . Die Oberflächenmorphologie der Oberfläche des gebauten Teils und der Scanrichtungswinkel zum atmosphärischen Gasstrom beeinflussen die Stabilität des Schmelzbades. Sie wirken sich auch auf die Spritzerbildung aus. Somit kann die Dichte des hergestellten Materials durch Überwachung der Schmelzbadstabilität und der Spritzerbildung beurteilt werden. In dieser Untersuchung erholt sich das instabilisierte Schmelzbad, und es wird davon ausgegangen, dass dies auf die vollständig dichten Bedingungen zurückzuführen ist. Im Gegenteil, das Schmelzbad wird unter Bedingungen für die Herstellung mit geringer Dichte instabil sein. Darüber hinaus führt die Kombination mit der Laserposition, der plötzlichen Schmelzbadinstabilität und der intensiven Spritzerbildung zu lokalen Defekten, und der Oberflächenmorphologieindex kann Aufschluss über die Eignung der Herstellungsbedingungen geben. Da der Fahnenausstoß die Messung der Schmelzbaddimensionen beeinträchtigt und die Überwachung der Stabilität des Schmelzbades beeinträchtigen kann, wäre es besser, die Spritzerbildung zu überwachen.

Betrachten Sie den umgekehrten Fall; Wenn sich ein Schmelzbad stabilisiert, wird die Spritzerbildung gemildert, die Oberfläche eines Bauteils weist einen kleinen Rauheitsindex auf, die vollständig dichten Herstellungsbedingungen werden erreicht und es wird erwartet, dass das Bauteil fehlerfrei ist. Das in der vorliegenden Forschung entwickelte Überwachungssystem kann die Minderung von Spritzern bestätigen. Die Spritzerbildung und die Morphologie der Bauteiloberfläche beeinflussen sich gegenseitig und können für die Überprüfung der Eignung der Parameter gleichwertig sein; Starke Spritzerbildung führt zu einer rauen Bauteiloberfläche und umgekehrt. Daher muss die Spritzerbildung verringert werden, um Bedingungen mit vollständig dichter Fertigung zu erreichen.

Das Verständnis des Spritzermechanismus wird einen Hinweis darauf geben, wie Spritzer auf der heterogenen Oberfläche gemindert werden können. Young et al.39 untersuchten den Spritzmechanismus auf einem homogenen Pulverbett mithilfe von In-situ-Röntgenbildgebung mit hoher Geschwindigkeit und hoher Energie. Darüber hinaus wird die Spritzerbildung anhand der Karte Laserleistung vs. Scangeschwindigkeit in fünf Arten eingeteilt: Feststoffspritzer, Metallstrahlspritzer, Pulveragglomerationsspritzer, Schmelzspritzer mit Mitnahme und durch Defekte verursachte Spritzer. Ihr Röntgenbildgebungsgerät begrenzt die experimentelle Konfiguration des Pulverbetts; Daher unterscheidet sich die Konfiguration von der des praktischen PBF-LB-Prozesses, bei dem eine einzelne Laserspur ein Pulverbett mit einer Dicke von 100 µm und einer Breite von 0,5 mm abtastet. Die Klassifizierung des Spritzertyps und eine Erklärung des Mechanismus können auf diese Studie angewendet werden, obwohl der Spritzermechanismus von Young et al. für die Längsrichtung des Schmelzbads gilt. Unsere Ergebnisse könnten eine Erklärung für die Spritzerbildung in Querrichtung des Schmelzbades liefern.

Das Schema des Schmelzbadverhaltens und der Spritzerbildung ist in Abb. 7 dargestellt. Der Laserabrieb schmilzt ein Pulverbett und bildet ein Schmelzbad, das zur Emission von Metalldampf führt. Der Dampfdruck drückt die Schmelzoberfläche nach unten und erzeugt einen Schlüssellochhohlraum36,37,38,39,41,52. Oberhalb der Schmelzoberfläche wird die Dampffahne zu einer Strahlströmung, die eine Aufwärtsströmung des umgebenden Gases induziert. Der induzierte Gasstrom führt dazu, dass die Pulverpartikel neben den Laserspuren denudieren. Das mitgerissene Pulver wird in das Schmelzbad eingetragen und dann als Spritzer ausgeschleudert30. Dieser Bernoulli-Effekt durch Metalldampfstrahlen tritt unter hohem Atmosphärendruck auf. Wenn der atmosphärische Druck so niedrig ist, dass der atmosphärische Gastransport als molekularer Fluss betrachtet werden kann, dehnt sich der Metalldampf lokal am Laserstrahlpunkt aus. Der Expansionsstrom drückte die umgebenden Pulverpartikel nach außen, was zu einer Entblößung führte, wie Manyalibo et al. erklärt mit Kn Nummer54. Bei niedrigem Atmosphärendruck ist auch der Rückstoßdruck gering. Daher kann die Spritzeremission unterdrückt werden. Die Zirkulation des atmosphärischen Gases reicht nicht aus, um den Druck zu reduzieren und den Dampfstrahl in einen Expansionsstrom umzuwandeln. Allerdings beeinflusst es die Richtung des Abblasens hochfliegender Spritzer.

Schematische Darstellung des Schmelzbadverhaltens und der Spritzerbildung. (a) Der Querschnitt der Laserscanrichtung und (b) der Längsschnitt; Die Länge des Schmelzbads wird aus Platzgründen verkürzt.

Aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit des Bauteils im Vergleich zum Pulverbett wird die Form des Schmelzbades asymmetrisch. Die Spritzerbildung erfolgt von der Bauteilseite her durch Vergrößerung des Schmelzbades. Der Schlüssellochhohlraum hat einen asymmetrischen Querschnitt; Die Pulverbettseite ist eine klippenartige Wand und die andere Seite weist ein relativ lockeres Gefälle auf. Somit bläst der Fahnenstrahl von der Seitenwand des Pulverbetts die Schmelze von der seitlichen Böschung des gebauten Teils zu Spritzern.

Wie in Abb. 7b dargestellt, ist die Bodenfläche des Pulverbetts vor dem Bogen des Schmelzbades uneben, und manchmal lagern sich relativ große Spritzer oder Auswurfpartikel ab. Das durch den Laservorschub hinzugefügte Schmelzvolumen kann variieren und zu einer unregelmäßigen Änderung der Schmelzbadform führen. Darüber hinaus steigt die Innenwand des Hohlraumschlüssellochs aufgrund des fortschreitenden Laserpunkts am Bug nahezu vertikal an. Am Heck verläuft die Mauer relativ gleichmäßig. Der Metalldampfstrahl bläst von der Buginnenwand und reißt die Heckschmelze spritzend ab31. Die Spritzer verschmelzen oder verbinden sich mit den aufgeblasenen Pulvern und bilden große Auswurfmassen, wie von Nassar et al.48 berichtet; Der Auswurf hat erheblichen Einfluss auf die Konfiguration des Schmelzbades. Darüber hinaus müssen die Unebenheiten der Oberfläche des Bauteils berücksichtigt werden.

Durch die Laserabriebbedingungen kann die Spritzerbildung unterdrückt werden. Beispielsweise berichteten Zhen et al.49, dass eine schwache Schwadenbildung zu leichten Spritzern beim Laserscannen über der Inconel 718-Pulverschicht mit einer Laserleistung von 400 W und einer Scangeschwindigkeit von 400–500 mm/s führte. Darüber hinaus schlugen Yin et al.50 eine Methode zur Schätzung der Bedingungen zur Unterdrückung von Spritzern für einen Pulslaserscan vor. Der Zeitpunkt, zu dem die Metalloberfläche nach Beginn des Laserabriebs zu sieden beginnt, wenn ein Laserstrahl mit einem Radius von 1/e2 der Laserfleckgröße \({\omega }_{e}\) m und der Laserleistung \(P \) W reibt eine Metallplatte ab, die sogenannte Verweilzeit zum Sieden \({t}_{Sieden}\), ist gegeben als

wobei \({T}_{b}\), \(\alpha\), \(\kappa\) und \({A}_{p}\) die Siedetemperatur und die Temperaturleitfähigkeit des geschmolzenen Metalls darstellen , Wärmeleitfähigkeit bzw. Laserabsorptionsfähigkeit der Platte.

Bei der Laserabtastung in einer Richtung tritt Sieden auf, wenn die Verweilzeit für das Sieden kürzer ist als die Zeit, die der Laserpunkt benötigt, um seine Punktlänge zu durchlaufen.

Die Gleichungen (1) und (2) liefern die maximale Abtastgeschwindigkeit, um das Sieden zu stoppen, d. h.

oder der Mindestdruck zum Sieden bei einer Abtastgeschwindigkeit von \(v\), d. h.

Auf die gleiche Weise ergibt die Ersetzung der Schmelztemperatur \({T}_{m}\) anstelle von \({T}_{b}\) die Grenzlinie des Schmelzens im \(Pv\)-Diagramm

oder

Das \(vP\)-Diagramm mit verschiedenen \({\omega }_{e}\) ist in Abb. 8 im Fall von Inconel 718 dargestellt, wobei \({A}_{p}\) = 0,30, \ ({T}_{b}\) = 3190 K, \(\alpha\) = 5,6 × 10−6 m2/s und \(\kappa\) = 29,6 W/m·K. Die Ergebnisse für die 1/e2-Spotgröße oder \(2{\omega }_{e}\) = 100–200 µm. Im Prozessbereich zwischen der durchgezogenen und der gestrichelten Linie wird erwartet, dass das Substrat schmilzt, ohne zu sieden, was bedeutet, dass keine Schlüssellochbildung und leichte Spritzer auftreten.

Scangeschwindigkeit-Laserleistung-Prozesskarte der Inconel 718-Legierung. Der Radius der Laserpunktgröße beträgt 100–200 µm. (a) Prozessfenster ohne Sieden des Schmelzbades. (b) Prozessfenster und Herstellungsbedingungen im Experiment.

In der Studie von Yin et al. konnte die Spritzerbildung bei geeigneten Herstellungsbedingungen unterdrückt werden, da die Laserpunktgröße \(2{\omega }_{e}=\) 318 µm betrug; Laserleistung \(P\) = 750 W und Scangeschwindigkeit \(v\) = 350 m/s (Abb. 8b). Die Bedingungen der vorliegenden Arbeit (die Laserleistung \(P\) = 200 W, die Scangeschwindigkeit \(v\) = 665 mm/s) lagen weit jenseits der Siedelinie und es war zu erwarten, dass es nach Gl. (2) weil der Durchmesser der Laserfleckgröße \(2{\omega }_{e}\) 100 µm beträgt. Allerdings ergeben diese Herstellungsbedingungen Materialien mit hoher relativer Dichte. Darüber hinaus wird in der Praxis häufig eine Punktgröße von etwa \(2{\omega }_{e}\) = 100 µm verwendet. Diese Diskrepanz lässt darauf schließen, dass die Zeit bis zum Spritzen nach dem Einsetzen des Laserabriebs, \({t}_{Spatter}\), länger ist als die Verweilzeit zum Sieden, \({t}_{Boil}\).

Die Gleichungen (1) und (2) liefern die notwendigen Bedingungen für die Spritzerbildung. Der \({t}_{boiling}\)-Wert ist nur die Verweilzeit für das Sieden; Daher kann es aufgrund des unzureichenden Rückstoßdrucks und des kleinen und flachen Schmelzbades unmittelbar nach der Verweilzeit nicht zu Spritzern kommen28,31,55. Vermutlich liegt in einem \(vP\)-Diagramm eine \({P}_{Spatter}\left(v\right)\)-Linie über der \({P}_{boil}(v)\)-Linie,

und das Fenster der Bedingungen ohne Spritzer wird erweitert. Die entsprechende Gl. (1) für \({t}_{spatter}\) ist bisher nicht angegeben. Um \({t}_{Spatter}\) oder \({P}_{Spatter}\left(v\right)\) zu erhalten, ist das Kriterium für Schlüssellochabmessungen für Spritzer erforderlich. Dies könnte beispielsweise aus dem Rückstoßdruck abgeleitet werden, der durch die Laserleistung, die Scangeschwindigkeit und die thermischen Eigenschaften des Materials beschrieben wird. Oder das Vor-Ort-Überwachungssystem liefert es basierend auf dem Experiment.

Zusammenfassend wurde zur Aufklärung und Minderung der Bildung interner Defekte des PBF-LB-Prozesses das Spritzen auf einer heterogenen Oberfläche, der Pulverschicht auf der einen Seite und der Oberfläche des Bauteils auf der anderen Seite durch ein neu entwickeltes In-situ-Überwachungssystem beobachtet. Die In-situ-Messung der Oberflächenmorphologie ergab, dass sich der \(2\sigma\)-Wert, der die Oberflächenrauheit der Oberfläche des gebauten Teils nach dem Laserscannen darstellt, in Übereinstimmung mit der Änderung zyklisch mit einer Amplitude von 60–90 μm änderte im Winkel zwischen der Laserscanrichtung und dem Umgebungsgasstrom. Die In-situ-Hochgeschwindigkeitskameraüberwachung zeigte das asymmetrische Schmelzbad und die Spritzerbildung hauptsächlich auf der Seite des gebauten Teils. Darüber hinaus wurde das Schmelzbad stabil, wenn die Oberfläche des zuvor gebauten Teils einen kleineren 2σ-Wert aufwies, und wurde umgekehrt instabil, wenn der Wert größer war. Basierend auf der Beobachtung werden die Schemata des Schmelzbads und der Spritzer für die heterogene Oberfläche vorgeschlagen, die durch das mehrspurige Laserscannen während des praktischen PBF-LB-Prozesses gebildet wird. Die theoretische Überlegung, ein Prozessfenster ohne Spritzerbedingungen zu erhalten, erfordert neben der in dieser Untersuchung durchgeführten Siedezeitschätzung weitere Untersuchungen zu Schlüssellochbildungs- und Spritzerkriterien. In-situ-Überwachungsgeräte, wie sie in dieser Forschung gezeigt werden, werden diese Forschung unterstützen.

In dieser Studie wurde ein PBF-LB-Überwachungssystem entwickelt, das In-situ-Messungen der Oberflächenmorphologie des Pulverbetts und des Schmelzverhaltens während des Laserscannens durchführen kann. Dieses System umfasst die Gebäude-, Steuerungs- und Überwachungsteile (siehe ergänzende Abbildung S3). Der Gebäudeteil ist mit einem 1-kW-Singlemode-Yb-Faserlaser und einem Galvanometer-Laserscanner ausgestattet; Die Wellenlänge des Faserlasers beträgt 1070 nm und der durch das 1/e2-Intensitätskriterium definierte Laserstrahldurchmesser \(D\) beträgt 100 µm. Das mögliche Bauvolumen beträgt 150 mm Durchmesser und 150 mm Höhe.

Die Überwachungsvorrichtung umfasst ein Schichtüberwachungssystem und ein Hochgeschwindigkeits-Schmelzbadüberwachungssystem. Darüber hinaus ist das Schichtüberwachungssystem das optische System zur Messung der Oberflächenmorphologie. Die Oberflächenmorphologie wird mit der Streifenprojektionsmethode gemessen; Es ist mit einer CCD-Kamera (einer Kamera mit einem ladungsgekoppelten Bildsensor) und einem Musterprojektor ausgestattet. Der Messbereich umfasst die gesamte Bauphase mit einem Durchmesser von 150 mm. Die Auflösung beträgt 80 µm/Pixel in der horizontalen x- und y-Achsenrichtung und 7 µm oder weniger in der z-Achsenrichtung. Die Oberflächenmorphologie wird vor und nach dem Laserscannen gemessen. Bei dieser Untersuchung handelt es sich bei der Oberflächenmorphologie des Pulverbetts um die Oberflächenform, die mit der Streifenmusterprojektionsmethode gemessen werden konnte. Das bedeutet, dass die Schattenseite der Partikel und das zu tiefe Loch nicht gemessen werden konnten.

In dieser Forschung quantifiziert 2σ die Oberflächenmorphologie und stellt die doppelte Standardabweichung der Z-Positionswerte der Oberflächenpunktgruppendaten dar. Die Z-Richtungsposition der Punktgruppendaten ist die Differenz zur am besten angepassten Ebene, die mit der Methode der kleinsten Quadrate berechnet wird. 2σ-Wert ist gleich dem Doppelten der quadratischen Mittelhöhe der Oberfläche, Sq;

Darüber hinaus werden die minimalen und maximalen Unterschiede zur am besten geeigneten Ebene berechnet; Sie stellen die Tiefe bzw. Spitzenhöhe dar.

Das Hochgeschwindigkeits-Schmelzbadüberwachungssystem kann das Temperaturverteilungsbild des Schmelzbades und die damit verbundenen Phänomene entlang eines Pfades beobachten, der koaxial zum Laserstrahlscan verläuft. Das Hochgeschwindigkeits-Schmelzbadüberwachungssystem ist mit einem zweifarbigen Thermo-Viewer ausgestattet. Der Thermoviewer besteht aus einer Hochgeschwindigkeitskamera (Photron FASTCAM SA-Z) und einem optischen System, das zur Bearbeitung koaxial in den Laserstrahl eingesetzt wird; Somit fällt die Mitte des Sichtfelds (FOV) mit der Laserpunktmitte zusammen. Die FOV-Fläche beträgt 3,98 × 3,98 mm2 und die Abtastrate beträgt 10 kHz; sein Messtemperaturbereich liegt bei 900–2000 °C. Der Temperaturbereich wurde ausgewählt, um die Messauflösung zur Identifizierung der Kontur des Schmelzbades der Inconel 718-Legierung zu verbessern. Die Liquidustemperatur zeigte den Umriss des Schmelzbades an; 1336 °C für die Inconel 718-Legierung. Darüber hinaus liefert die Bildverarbeitung für jedes Bild die Breite und Länge des Schmelzbads sowie die Anzahl und Größe der Spritzer.

Dabei werden Schmelzbad und Spritzer beobachtet und die Oberflächenmorphologie jeder Schicht für das Pulverbett und das Bauteil gemessen.

Rundstabproben (Durchmesser = 10 mm und Höhe = 100 mm) werden unter Verwendung des gaszerstäubten Inconel 718-Legierungspulvers (Carpenter Additive) hergestellt. Von diesen Rundstäben wird erwartet, dass sie durch maschinelle Bearbeitung in die in JIS Z2241:2011 spezifizierte Zugversuchsprobenform des JIS-Typs 14A gebracht werden. Der durchschnittliche Pulverdurchmesser beträgt ca. 42 µm und die Schüttdichte beträgt nahezu \(\varepsilon\) = 60 %. Es werden zweitausend Schichten mit einer Schichtdicke von \(z\) = 50 µm zusammengestellt. Zu den Bedingungen gehören Laserleistung \(P\) = 200 W, Scangeschwindigkeit \(v\) = 665 mm/s, Schraffurbreite \(h\) = 0,1 mm, Schichtdicke \(z\)= 0,05 mm. Dann beträgt die volumetrische Energiedichte \({E}_{v}=P/vhz\) = 30,1 J/mm3 und die Flächenenergiedichte \({E}_{a}=P/vD\) = 301 J/ cm2 wobei \(D\) der Laserstrahldurchmesser ist. Das Scanmuster hat eine Schlangenform und die Scanrichtungen ändern sich in jeder Ebene um 33°. Stickstoffgas strömt über die Bauplattform, um den Sauerstoffgehalt auf < 0,1 % zu reduzieren. Es wird erwartet, dass der Gasstrom die Oberflächenoxidation unterdrückt und die von der Schmelzbadoberfläche emittierten Spritzer und Schwaden wegbläst. Das Überwachungssystem zeichnete die Gasströmungsrichtung von oben nach unten im Schichtbild auf.

Die hergestellte Probe hat einen relativen Dichtewert von 100,00 %. Das bedeutet, dass das vollständig dichte Material hergestellt wird. Vollständig dichtes Material ist Material ohne wesentliche innere Mängel, definiert in ISO/ASTM 52.900:2015. Der relative Dichtewert wird mit einem Röntgen-CT (Nikon XT H225) bei einer Leistung von 100 W gemessen; die Voxelgröße beträgt 39 × 39 × 39 µm3. Der gemessene Bereich ist die Mitte der Rundstabprobe mit 10 mm Durchmesser und 10 mm Höhe. Darüber hinaus wird die metallurgische Mikrostruktur nach dem Polieren und Ätzen von Proben optisch beobachtet. Oberflächenunregelmäßigkeiten wie heruntergefallene und anhaftende Spritzer und relativ große Unebenheiten werden durch Kohärenzscan-Interferometrie (ZYGO New View™ 9000 CSI System) gemessen.

Die Dimensionsänderung im Schmelzbad wird über die numerische Analyse der transienten Wärmeleitung mit dem schmelzenden und erstarrenden Pulver und Massenmetall unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode unter Verwendung von ANSYS MAPDL31 geschätzt. Die Analysebedingungen sind die oben genannten Bedingungen mit vollständig dichter Fertigung; Der Analysebereich enthält die vier Spuren des Laserscannings.

Alle experimentellen Daten sind im Manuskript enthalten, oder die ergänzenden Materialien sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Studie ist Teil eines vom Ministerium für Wirtschaft, Handel und Industrie (METI) und der New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO-Projekt Nr. P17002) in Auftrag gegebenen Projekts.

Die Arbeit wurde von der New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO-Projekt Nr. P17002) unterstützt.

Forschungsinstitut für grundlegende Technologie für die nächste Generation, Kindai-Universität, KURING, 1 Umenobe, Higashi Hiroshima, Hiroshima, 739-2116, Japan

Toshi-Taka Ikeshoji, Makiko Yonehara und Hideki Kyogoku

Technologieforschungsvereinigung für zukünftige additive Fertigung; TRAFAM, 1-10-4 Kajicho, Chiyoda-ku, Tokio, 101-0044, Japan

Toshi-Taka Ikeshoji, Makiko Yonehara und Hideki Kyogoku

Nikon Corporation, Shinagawa Intercity Tower C, 2-15-3, Konan, Minato-ku, Minato-ku, Tokio, 108-6290, Japan

Chika Kato, Yuma Yanaga und Koki Takeshita

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T.-TI, MY und HK führten Konzeptualisierung, Methodik und Validierung durch und verfassten das Manuskript. HK lieferte das Konzept der Figuren und groben Skizzen. T.-TI lieferte das Figurenkonzept und bereitete alle Figuren vor. MY, CK, YY und KT führten die Experimente durch. YY und KT bereiteten die Versuchsapparatur vor.

Korrespondenz mit Toshi-Taka Ikeshoji oder Hideki Kyogoku.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ikeshoji, TT., Yonehara, M., Kato, C. et al. Spritzermechanismus der additiven Laser-Pulverbettschmelzfertigung auf heterogenen Oberflächen. Sci Rep 12, 20384 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24828-9

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Eingegangen: 08. September 2022

Angenommen: 21. November 2022

Veröffentlicht: 27. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24828-9

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