Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Qualitätssteigerung laseradditiv gefertigter Bauteile durch Optimierung des lokalen Wärmeeintrags unter Berücksichtigung des globalen Temperaturfeldes

Ziel

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des LSS-Verfahrens und eine Verbesserung der resultierenden Bauteilgüte (Maßhaltigkeit, Oberflächengüte, Reduktion von Pulveranhaftungen) durch einen lokal angepassten Energieeintrag und der Beschleunigung des Preprocessings durch die Entwicklung eines vollautomatisierten, wissensbasierten Preprocessing-Algorithmus.

Lösungsansatz

Im Fokus steht die simulationsbasierte Entwicklung und experimentelle Kalibrierung und Validierung eines Algorithmus zur Bestimmung von lokal angepassten Scanparametern (Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Fokuslage, Spurabstand, Vorwärmung) unter Berücksichtigung der Bauteilgeometrie, Scanstrategie und dem globalen Temperaturfeld, um den Energieeintrag lokal anzupassen und dadurch den Schmelzprozess zu stabilisieren, ungewollte Ansinterungseffekte an der Bauteiloberfläche zu vermeiden und damit eine hohe Oberflächengüte und Maßhaltigkeit zu gewährleisten, bei gleichzeitig hoher Materialdichte für das gesamte Bauteil.

Ergebnis

Der entwickelte Preprocessing-Algorithmus wird den KMU in Form einer internetbasierten Preprocessing-Plattform zur Verfügung gestellt, mit der das komplette Preprocessing vom CAD-Bauteilmodell zur fertigen Baujob-Datei automatisiert wird.

Nutzen für KMU

Die Nutzung eines automatisierten, wissensbasierten Preprocessing-Algorithmus wird die Effizienz des Verfahrens insbesondere für KMU stark erhöhen, die aufgrund eingeschränkter Kapazitäten und Mittel eigene Forschungsvorhaben zur Entwicklung von optimierten Preprocessing-Algorithmen nur schwer umsetzen können.

Ergebniszusammenfassung:

Die wesentlichen Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen. Beim Selektiven Laserstrahlschmelzen gibt es eine prozessinhärente Aufheizung der Bauteil mit fortschreitendem Fertigungsprozess die sich experimentell Messen lässt. Die Stärke der Aufheizung hängt von der Größe der im Pulver liegenden Bereiche ab, der Effekt verstärkt sich, wenn die Bauteilquerschnittsfläche in Aufbaurichtung zunimmt. Ein Kegel mit einem Öffnungswinkel von 42° heizt sich bei den verwendeten Prozessparametern bei einer Bauteilhöhe von 10 mm von 150°C auf ca. 420°C auf. Es konnten numerisches Modell auf Schmelzbadebene entwickelt und an experimentellen Querschliffen kalibriert werden. Es konnten die Auswirkungen von Geometrie und Hintergrundtemperatur auf die Schmelzbadabmessungen untersucht werden. Ein weiteres Modell zur Vorhersage des makroskopischen Temperaturfeldes wurde entwickelt und kalibriert. Mit diesem Modell konnten die Tendenzen des globalen Temperaturfeldes abgebildet werden und die Abkühlraten simuliert werden. Es wurde ein Algorithmus entwickelt der auf Basis der Abkühlraten lokal die Leistung und Sequenz der Scanstrategie anpasst. Es wurden verschiedene Varianten von Scanstrategien und Anpassungsstrategien an einem Demonstratorbauteil untersucht. Die lokale Anpassung der Laserleistung führte nicht zu positiven Ergebnissen. Die einfachste Variante zur Verbesserung von Überhangsbereichen ist die Verwendung von 4 Konturfahrten, die Strategie erzeugt aber erhöhte Spannungen und Verzüge in unkritischen Bereichen. Die besten Ergebnisse konnten durch die Anpassung der Sequenz der Hatches in den kritischen Bereichen und eine Konturfahrt erreicht werden.