Optimierung von Prozessparametern für Metallegierungen

Fortschrittliche Testwerkzeuge für den 3D-Druck, entwickelt von Sharebot

1. Einleitung
Im Bereich der metallischen additiven Fertigung (AM) ist die Optimierungsphase von Metallpulvern und Prozessparametern entscheidend für die Herstellung von Bauteilen mit optimalen mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften.

Pulverbettfusionstechnologien (PBF-LB/M) – bei denen ein Laserstrahl dünne Schichten von Metallpulver selektiv schmilzt – erfordern eine präzise Kontrolle der Energieparameter, die das Schmelzen und die anschließende Erstarrung bestimmen.

Zu den einflussreichsten Parametern gehören die Laserleistung (P), die Scangeschwindigkeit (v) und die Position der Fokusebene (z₀).

Die Kombination dieser Faktoren bestimmt die dem Pulverbett lokal zugeführte Energiemenge und beeinflusst direkt die Bauteildichte, die Schmelzbad-Morphologie und die Restporosität.

2. Grundlagen des Prozesses
Die Effizienz des PBF-Prozesses wird üblicherweise mit der volumetrischen Energiedichte (VED) beschrieben, berechnet als:

VED = P / (v * h * t)

wobei:

P = Laserleistung (W)

v = Scangeschwindigkeit (mm/s)

h = Zeilenabstand (mm)

t = Schichtdicke (mm)

VED repräsentiert den Energieeintrag pro Volumeneinheit und hilft, den Grad der Materialserschmelzung vorherzusagen.

Eine zu niedrige VED führt zu unvollständigen Verschmelzungsdefekten und hoher Porosität, während eine zu hohe VED Schmelzinstabilität, lokale Verdampfung oder Eigenspannungen verursachen kann.

3. Automatisierte parametrische Testfunktion von Sharebot
Um die Pulverqualifizierung und Prozessoptimierung zu vereinfachen, hat Sharebot eine integrierte, automatisierte parametrische Testfunktion in seine Maschinensoftware entwickelt.

Dieses Werkzeug generiert eine Matrix von kubischen Testproben, wobei Laserleistung und Scangeschwindigkeit entlang zweier Achsen systematisch variiert werden.

In einem einzigen Druckdurchgang können bis zu 25 Testwürfel (z. B. ein 5×5-Array) hergestellt werden – jeder mit einer einzigartigen Kombination von Prozessparametern.

Das geordnete Layout ermöglicht einen sofortigen visuellen und analytischen Vergleich, vereinfacht die Identifizierung des optimalen Prozessfensters und reduziert die Kalibrierungszeit drastisch.

4. Dichtecharakterisierung
Die gedruckten Proben können einer hydrostatischen Dichtemessung nach dem Archimedes-Prinzip unterzogen werden, einer Methode, die die tatsächliche Dichte des Materials bestimmt.

Durch Vergleich der gemessenen Dichte mit der theoretischen Dichte der Legierung können Forscher die Restporosität abschätzen und die Verschmelzungsqualität bewerten.

Weitere metallographische Analysen (Lichtmikroskopie, REM) und mechanische Tests (Mikrohärte, Zugfestigkeit) ermöglichen die Korrelation zwischen mikrostrukturellen Merkmalen und den angewandten Prozessbedingungen.

5. Pulverdruck mit geringem Volumen
Um die Forschung an fortschrittlichen oder experimentell formulierten Legierungen zu unterstützen, hat Sharebot ein Dosiersystem für geringe Pulvermengen entwickelt.

Diese innovative Lösung ermöglicht die Herstellung einzelner 1 cm³ großer Testwürfel mit nur wenigen Gramm Pulver und ist daher ideal für die Bewertung kleiner, labormaßstäblicher Pulverchargen.

Diese Fähigkeit reduziert die Entwicklungskosten erheblich und beschleunigt die vorläufige Validierung neuartiger Hochleistungslegierungen für Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik und fortgeschrittene Forschungsanwendungen.

Mit unserem metalONE ist es möglich, einen einzelnen Würfel mit wenigen Gramm Pulver zu drucken, um mit den Tests zu beginnen!

6. Schlussfolgerungen
Der Ansatz von Sharebot bietet eine effiziente und skalierbare Methode zur Kalibrierung von Prozessparametern im metallischen 3D-Druck.

Durch die Integration automatisierter parametrischer Tests und des Pulverdruckens mit geringem Volumen reduziert das Unternehmen die Experimentierzeit, optimiert den Materialeinsatz und fördert die Entwicklung innovativer Materialien.

Diese Werkzeuge ermöglichen es Forschern, die Beziehung zwischen Prozessparametern, Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften effizient zu untersuchen und eröffnen neue Wege für das Design von Hochleistungslegierungen und die angewandte Forschung in der additiven Fertigung.

Autor
F&E-Abteilung – Sharebot Srl
Spezialisten für additive Fertigungstechnologien und Entwicklung fortschrittlicher Materialien