Einflussuntersuchung variabler Laserspotgrößen auf die Produktivitätssteigerung und Homogenisierung der mechanischen Bauteileigenschaften beim pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen von Polyamid 12
Das Powder Bed Fusion – Laser Beam / Polymers (PBF-LB/P) gewinnt aufgrund seiner flexiblen Einsatzmöglichkeiten und der Designfreiheit zunehmend an Bedeutung für kleine bis mittlere Serienproduktionen. Jedoch werden die Potenziale dieser Technologie durch verfahrensinhärente Anisotropie der Bauteileigenschaften, welche sich durch deren schichtweisen Aufbau begründen lässt, nicht vollständig erschlossen. Die relevanteste Anisotropie ist innerhalb der mechanischen Eigenschaften zu finden, deren Kennwerte aus dem eindimensionalen Zugversuch von der Positionierung und Orientierung der Bauteile im Bauraum abhängen. Die Ausprägung dieser Anisotropie ist unter anderem von dem verwendeten Anlagensystem abhängig und zeigt, dass in der Anlagenentwicklung noch Potenziale zu erschließen sind.
Entsprechende dem aktuellen Stand der Technik werden in dieser Arbeit neue Ansätze zur Steigerung der Produktivität und der Homogenisierung der Bauteileigenschaften betrachtet. Um diese Zielsetzung zu erreichen, wird eine PBF-LB/P-Anlage entwickelt und in Betrieb genommen, die mit innovativen Ansätzen zur Prozessstabilität und Energieeinbringung eine Prozessbeschleunigung durch vergrößerte Laserspotdurchmesser erreichen soll. Nach der Untersuchung robuster Prozessparameter wurden aufeinander aufbauend erst eindimensionale, dann zweidimensionale und schlussendlich dreidimensionale Versuchsreihen zur Erzeugung homogener Schmelzen und Probekörper mit Laserspotdurchmessern bis zu 2,2 mm durchgeführt.
Das Potenzial dieser Innovation wird durch die Validierung und Optimierung mit Zugprüfkörpern aufgezeigt. Es wird festgestellt, dass die Verwendung vergrößerter Laserspots unter robusten Prozessführung zu homogenen mechanischen Bauteileigenschaften führen kann. Dabei wird ersichtlich, dass die Laserspotvergrößerung nicht ausschließlich für die isotropen Bauteileigenschaften verantwortlich ist. Vielmehr ist die Kombination aus einem robusten Prozess, differenziertem Temperaturmanagement und der erzielten Prozessbeschleunigung entscheidend. Diese gewonnenen Erkenntnisse liefern neue Ansätze, die es zukünftig zu berücksichtigen gilt.
Powder Bed Fusion - Laser Beam / Polymers (PBF-LB/P) is becoming increasingly important for small to medium-sized series production due to its flexible application options and freedom of design. However, the potential of this technology is not fully utilised due to the process-inherent anisotropy of the component properties, which can be explained by its layered structure. The most relevant anisotropy can be found within the mechanical properties, whose characteristic values from the one-dimensional tensile test depend on the positioning and orientation of the components in the build volume. The extent of this anisotropy depends, among other factors, on the system used and indicates that there is still potential to be unlocked in system development.
In line with the current state of the art, new approaches to increasing productivity and homogenising part properties are considered in this thesis. In order to achieve this purpose, a PBF-LB/P system is being developed and put into operation, which is intended to achieve process acceleration through increased laser spot diameters using innovative approaches to process stability and energy input. Following the investigation of robust process parameters, first one-dimensional, then two-dimensional and finally three-dimensional series of tests were carried out to produce homogeneous melts and test specimens with laser spot diameters of up to 2.2 mm.
The potential of this innovation is demonstrated by validation and optimisation with tensile test specimens. It is established that the use of enlarged laser spots can lead to homogeneous mechanical component properties under robust process control. It becomes clear that the laser spot enlargement is not solely responsible for the isotropic component properties. Rather, the combination of a robust process, differentiated temperature management and the achieved process acceleration is decisive. These findings provide new approaches that need to be considered in the future.