Untersuchungen zur L-PBF Einflussgröße Laserstrahlung: das Gleiche ist nicht das Gleiche

Bereits kleine Abweichungen in den Ausgangsbedingungen können Auswirkungen auf die Bauteilqualität und die Performance des L-PBF Prozesses haben. Homogene Prozessbedingungen sind demnach die Voraussetzung für eine gleichbleibende Bauteilqualität. Das bedeutet, dass der Nettoenergieeintrag in das Pulverbett unabhängig von dessen Position auf der Substratplatte konstant bleibt und nicht negativ durch Schwankungen beeinträchtigt wird.

Eine Abweichung der Intensität der eingekoppelten Strahlung in das Pulverbett hat einen direkten Einfluss auf die spätere Bauteilqualität. In diesem Zusammenhang ist der Bearbeitungsdurchmesser – das ist der Laserstrahldurchmesser mit dem der Energieeintrag in das Pulverbett erfolgt – ein signifikanter Faktor. Für die Untersuchungen dieser Einflussgröße wurden fünf baugleiche und nach gleicher Norm eingestellte kommerzielle L-PBF Anlagen genutzt.

Auf ihnen wurden identische dünnwandige Bauteile unter Nutzung gleicher Parameter gefertigt. Der verwendete Pulverwerkstoff Inconel 718 entstammt in allen Durchgängen derselben Pulvercharge.

Ergebnis: eine Anlage baute alle Bauteile auf, eine andere baute sie porös auf und drei Anlagen bauten kein Bauteil auf. Die vorab durchgeführte Anlagencharakterisierung mittels Kaustik Vermessung sowie Fokuslageneinbrand ergaben Abweichungen im Laserstrahldurchmesser sowie der Einstellung der Fokusebene. Die daraus resultierende Intensitätsschwankung der Laserstrahlung durch den Bearbeitungsdurchmesser von ± 10 % könnte die unterschiedlichen Prozessergebnisse erklären. Zur weiteren Untersuchung wurden mittels statistischer Versuchsplanung Parameter ermittelt und auf eine Laboranlage übertragen. Zur Validierung des Bearbeitungsdurchmessers wurden Proben mit halbem Strahldurchmesser aufgebaut, bei dem die Parameter mittels Intensitätsumrechnung angepasst wurden. Diese Vorgehensweise hat keinen positiven Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis. Im weiteren Verlauf wurde die Laserleistung in Abhängigkeit des Bearbeitungsdurchmessers mittels normalisierter Enthalpie umgerechnet. Dies zeigt eine vielversprechende Wirkung auf die Bauteilqualität bei kleinen Änderungen.

Abweichungen des Bearbeitungsdurchmessers der fünf baugleichen Anlagen. © Forschungscampus DPP, Aachen.
Abweichungen des Bearbeitungsdurchmessers der fünf baugleichen Anlagen. © Forschungscampus DPP, Aachen.

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