Während des L-PBF-Prozesses entstehende Fehlstellen wie Poren, Risse oder Anbindungsfehler können die mechanischen Eigenschaften der Werkstücke herabsetzen. Die Entstehung solcher Fehlstellen ist derzeit nicht ausreichend untersucht, weshalb deren Auftreten häufig zufällig erscheint. Als mögliche Ursachen für die Entstehung solcher Fehlstellen werden in dieser Arbeit Fokusshift sowie die Interaktion von Laserstrahlung mit Prozessnebenprodukten (Metallkondensat, Spritzer, schmelzflüssige und mitgerissene Pulverpartikel) untersucht. Darüber hinaus wird der Einfluss der Schutzgasströmung betrachtet.
Fokusshift kann in L-PBF-Anlagen einerseits durch die physikalischen Eigenschaften der optischen Elemente und andererseits durch äußere Einflüsse (hier: Verschmutzung des Einkoppelfensters durch Prozessnebenprodukte) induziert werden. Für beide Einflüsse wird jeweils der transiente Fokusshift bestimmt und mit der relativen Dichte von Probekörpern aus dem Werkstoff 1.4404 korreliert. Es zeigt sich, dass der durch die optischen Elemente induzierte Fokusshift zu einer Änderung der relativen Dichte führt.
Die Untersuchungen zur Laserstrahl-Prozessnebenprodukt-Interaktion werden getrennt für Metallkondensat und Spritzer bzw. mitgerissene und schmelzflüssige Pulverpartikel (Fremdpartikel) durchgeführt. Dazu wird zunächst der grundlegende Zusammenhang zwischen ausgewählten Prozessparametern und der Emission der Prozessnebenprodukte anhand von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen diskutiert. Anschließend wird der Einfluss der Interaktion mit Metallkondensat auf die relative Dichte von Probekörpern für die Werkstoffe Ti6Al4V und Inconel 718 untersucht. Um den Einfluss von Fremdpartikeln zu untersuchen, wird deren Größe, Anzahl und Lage auf der Oberfläche von Probekörpern im Prozess mittels eines Laser-Profilsensors erfasst. Die so erzeugten Kennwerte werden anschließend mit µCT-Scans sowie der relativen Dichte der Probekörper korreliert.
Zum Abschluss wird der Einfluss der Schutzgasströmung auf den Prozess diskutiert. Dazu wird diese ortsaufgelöst mittels eines thermischen Anemometers unter prozessnahen Bedingungen gemessen. Anschließend werden die ermittelten Strömungsprofile mit der relativen Dichte von Probekörpern aus Ti6Al4V und Inconel 718 korreliert. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wird unter Berücksichtigung der zuvor gewonnenen Erkenntnisse zur Laserstrahl-Metallkondensat-Interaktion ein verbessertes Strömungsprofil für zukünftige L-PBF-Anlagen abgeleitet.

 

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Autor Schniedenharn, Maximilian
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Erscheinungsdatum 10.11.2020
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Einfluss von Fokusshift und Prozessnebenprodukten auf den Laser Powder Bed Fusion Prozess

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Kurzbeschreibung

Während des L-PBF-Prozesses entstehende Fehlstellen wie Poren, Risse oder Anbindungsfehler können die mechanischen Eigenschaften der Werkstücke herabsetzen. Als mögliche Ursachen für die Entstehung solcher Fehlstellen werden in dieser Arbeit Fokusshift sowie die Interaktion von Laserstrahlung mit Prozessnebenprodukten sowie der Einfluss der Schutzgasströmung untersucht.

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Schniedenharn, Maximilian