Einfluss der Schutzgasströmung auf das L-PBF

Die Schutzgasatmosphäre und die dazugehörige Schutzgasströmung spielen eine ausschlaggebende Rolle im L-PBF Prozess. Zum einen verhindert die Schutzgasatmosphäre die Oxidation des Metalls. Zum anderen trägt die Schutzgasströmung dazu bei, den Schmelzbadauswurf, wie Kondensat und Schmelzspritzer, aus dem Bearbeitungsfeld abzuführen; er kann zur Abschwächung der Laserstrahlung durch Absorption führen und somit den Nettoenergieeintrag verringern. Eine zuverlässige Schutzgasströmung ist deshalb eine notwendige Voraussetzung für homogene Prozessbedingungen und eine gleichbleibende Bauteilqualität.

Unter Einbeziehung der Geschwindigkeitsverteilung über der Substratplatte wurden unterschiedliche Strömungskonzepte qualitativ verglichen, um ihren Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis zu untersuchen. Links im unten stehenden Bild ist eine senkrecht zur Substratplatte gerichtete Strömung mit seitlicher Absaugung, rechts eine horizontal zur Substratplatte gerichtete Strömung von rechts nach links dargestellt. Unter dem jeweiligen Strömungskonzept ist das Geschwindigkeitsprofil als Schnitt parallel zur Betrachtungsebene aufgezeichnet.

Bei einer senkrecht zur Substratplatte gerichteten Strömung kann eine Region mit Strömungsgeschwindigkeit „um null“, auch Staupunkt genannt, in der Mitte der Substratplatte entstehen. Zum Rand der Substratplatte nimmt die Strömungsgeschwindigkeit zu. Dieses über die Substratplatte ungleichmäßig ausgeprägte Strömungsprofil kann es erforderlich machen, verschiedene Belichtungsparameter anzuwenden, um die gewünschte Bauteilqualität auf der gesamten Baufläche sicher zu stellen. Im Vergleich dazu verhindert eine Schutzgasströmung parallel zur Baufläche den beschriebenen Staupunkt. Die Strömungsgeschwindigkeit nimmt zwar über die Überströmlänge (L) ab, ist jedoch gleichmäßiger ausgeprägt als bei der senkrechten Lösung. Eine homogene Prozessumgebung ist über die gesamte Baufläche somit einfacher zu realisieren.

Die Belichtungsrichtung relativ zur Strömungsrichtung stellt einen weiteren bestimmenden Einflussfaktor dar. Bei gleicher Belichtungs- sowie Strömungsrichtung kann der Schmelze-Auswurf in den Strahlengang der Laserstrahlung getragen werden. Um dies zu vermeiden, wird eine Belichtungsrichtung entgegen der Strömungsrichtung angestrebt. Somit wird der Schmelze-Auswurf vom Strahlengang der Laserstrahlung ferngehalten und ein Schmelzprozess mit geringen Schwankungen im Nettoenergieeintrag ist das Resultat.

Qualitativer Vergleich zweier unterschiedlicher Strömungskonzepte mit Geschwindigkeitsverteilung über der Substratplatte. © SLM Solutions.
Qualitativer Vergleich zweier unterschiedlicher Strömungskonzepte mit Geschwindigkeitsverteilung über der Substratplatte. © SLM Solutions.

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