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Multiphysikalische Analyse thermo-optischer Effekte für verschiedene Scan-Strategien
beim Laser-Powder Bed Fusion

Abstract

In diesem Beitrag werden transiente thermo-optische Effekte in Schutzfenstern für das Laser-Powder Bed Fusion (L-PBF) mittels einer multiphysikalischen Analyse untersucht. Die Temperaturverteilung des Fensters wird für verschiedene Abtaststrategien und Belichtungsreihenfolgen simuliert. Daher werden kubische Prüfkörper virtuell aufgebaut und die daraus resultierende axiale und laterale Fokusverschiebung analysiert. Darüber hinaus wird der Einfluss des Abstandes zwischen dem Laserscanner und dem Schutzfenster analysiert. Die Simulationen zeigen, dass die thermische Belastung des Fensters sowohl räumlich als auch zeitlich verteilt ist. Dadurch wird die Fokusverschiebung reduziert, wenn das Fenster weiter vom Laserscanner entfernt ist.

Einleitung

Das Laser-Powder Bed Fusion (L-PBF) von Metallteilen wird häufig durch thermo-optische Effekte destabilisiert. Materialfehler wie Porosität und fehlende Anbindung können die Folge sein.
Insbesondere das Schutzfenster, das die Bearbeitungskammer von der optischen Einheit trennt, wird häufig durch Metallanhaftungen verunreinigt. Die Verunreinigungen verursachen eine Absorption der Laserenergie und dadurch eine Erhitzung des Fensters[1]. Die inhomogene Temperaturverteilung im Fenster induziert ein lokal variierendes Brechungsindexprofil. Eine Fokusverschiebung und Aberrationen höherer Ordnung, die das Strahlprofil beeinflussen können, sind die Folge [2]. Da L-PBF ein hochdynamischer Prozess ist (typische Scangeschwindigkeiten von mehreren 100 mm/s[3]), ändert sich die resultierende Fokusverschiebung dynamisch in Abhängigkeit von der verwendeten Scanstrategie.

Derzeit gibt es kein Messwerkzeug zur Analyse der transienten Fokusverschiebung über das gesamte Scan-Feld. Derzeitig wird die statische oder transiente Fokusverschiebung während des Aufwärmphase des optischen Systems an der Nullposition des Laserscanners für eine bestimmte Laserleistung gemessen.

Diese Messungen entsprechen jedoch nicht dem dynamischen L-PBF Prozess. Erste Simulationen sagen voraus, dass die transiente Fokusverschiebung für einen realen Prozess etwa 10-mal kleiner als die statische ist [4]. Der Einfluss der unterschiedlichen Scanstrategien auf die transiente Fokusverlagerung wurde bisher nicht systematisch analysiert.

In diesem Paper wird zur Untersuchung der transienten thermo-optischen Effekte während des
L-PBF- Prozesses ein multiphysikalischer Simulationsansatz verwendet. Hierfür werden Finite-Elemente-Analysen (FEA) und Raytracing verbunden. Dieser Ansatz wurde bereits genutzt, um verschiedene optische Systeme für Laseranwendungen, wie z.B. f-theta-Objektive[5], zu analysieren. Innerhalb der Strahlenverfolgung wird das temperaturabhängige Brechungsindexprofil des Schutzfensters berücksichtigt. Die axiale und die laterale Fokusverschiebung werden in Abhängigkeit der Scanstrategie analysiert.

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