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Ursachen für Fehler beim 3D-Drucken

Wegbereiter für bessere Ergebnisse

26.02.2019

Image courtesy of Carnegie Mellon University

Dieses Bild, das unter dem Synchrotron des Argonne National Laboratory aufgenommen wurde, zeigt eine Schlüssellochlücke, die während des 3D-Metalldruckverfahrens entstehen wird. Während der Laserpulverbettfusion "bohrt" ein 3D-Drucker ein Loch in das Metall.

Das Versprechen der additiven Fertigung, die Industrie zu revolutionieren, wird durch ein weit verbreitetes Problem eingeschränkt: winzige Gasblasen im Endprodukt, die zu Rissen und anderen Ausfällen führen können.

Neue Forschungsarbeiten unter der Leitung von Teams der Carnegie Mellon University und des U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory haben herausgefunden, wie und wann sich diese Gasblasen bilden, sowie eine Methodik zur Vorhersage ihrer Entstehung - Informationen, die den 3D-Druckprozess dramatisch verbessern könnten.

"Die Forschung in diesem Papier wird sich in besserer Qualität und besserer Kontrolle bei der Arbeit mit den Maschinen niederschlagen", sagte Anthony Rollett, Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen an der Carnegie Mellon University und Autor der Arbeit. "Damit die additive Fertigung für die meisten Unternehmen wirklich an Fahrt gewinnt, müssen wir die Konsistenz der Endprodukte verbessern. Diese Forschung ist ein wichtiger Schritt in diese Richtung.

Die Wissenschaftler nutzten die extrem hellen, hochenergetischen Röntgenstrahlen in Argonne's Advanced Photon Source (APS), einem DOE Office of Science User Facility, um superschnelle Videos und Bilder von einem Prozess namens Laser Power Bed Fusion (LPBF) aufzunehmen, bei dem Laser verwendet werden, um Materialpulver miteinander zu verschmelzen.

Die Laser, die über jede Pulverschicht scannen, um Metall dort zu verschmelzen, wo es benötigt wird, erzeugen das fertige Produkt buchstäblich von Grund auf. Defekte können sich bilden, wenn Gasblasen in diesen Schichten eingeschlossen werden, was zu Unvollkommenheiten führt, die zu Rissen oder anderen Ausfällen im Endprodukt führen können.

Bislang wussten Hersteller und Forscher nicht viel darüber, wie der Laser in das Metall bohrt und Hohlräume erzeugt, die als "Dampfdepressionen" bezeichnet werden, aber sie gingen davon aus, dass die Art des Metallpulvers oder die Stärke des Lasers schuld waren. Infolgedessen haben die Hersteller einen Trial-and-Error-Ansatz mit verschiedenen Arten von Metallen und Lasern angewandt, um die Fehler zu reduzieren.

Tatsächlich zeigt die Forschung, dass diese Dampfdepressionen unter fast allen Bedingungen im Prozess existieren, unabhängig vom Laser oder Metall. Noch wichtiger ist, dass die Forschung zeigt, wie man vorhersagen kann, wann eine kleine Depression zu einer großen und instabilen wird, die möglicherweise einen Defekt verursachen kann.

"Wir ziehen den Schleier zurück und enthüllen, was wirklich vor sich geht", sagte Rollett. "Die meisten Leute denken, dass man ein Laserlicht auf die Oberfläche eines Metallpulvers leuchtet, das Licht wird vom Material absorbiert und das Metall wird zu einem Schmelzbad geschmolzen. In Wirklichkeit bohrst du wirklich ein Loch in das Metall."

Durch den Einsatz hochspezialisierter Geräte bei Argonne's APS, einer der leistungsfähigsten Synchrotronanlagen der Welt, beobachteten die Forscher, was passiert, wenn sich der Laser über das Metallpulverbett bewegt, um jede Schicht des Produkts herzustellen.

Unter perfekten Bedingungen ist die Schmelzbadform flach und halbkreisförmig, genannt "Conduction Mode". Aber während des eigentlichen Druckprozesses kann der Hochleistungslaser, der sich oft mit niedriger Geschwindigkeit bewegt, die Form des Schmelzbades in so etwas wie ein Schlüsselloch in einem verschlossenen Schloss ändern: rund und groß oben, mit einem schmalen Stachel unten. Ein solches "Schlüssellochmodus"-Schmelzen kann zu Defekten im Endprodukt führen.

"Basierend auf dieser Forschung wissen wir heute, dass das Schlüsselloch-Phänomen in vielerlei Hinsicht wichtiger ist als das Pulver, das in der additiven Fertigung verwendet wird", sagte Ross Cunningham, ein Absolvent der Carnegie Mellon University und einer der Mitautoren dieses Papiers. "Unsere Forschung zeigt, dass Sie die Faktoren vorhersagen können, die zu einem Schlüsselloch führen - das bedeutet, dass Sie diese Faktoren auch für bessere Ergebnisse isolieren können."

Die Forschung zeigt, dass sich Schlüssellöcher bilden, wenn eine bestimmte Laserleistungsdichte erreicht wird, die ausreicht, um das Metall zu kochen. Dies wiederum zeigt die entscheidende Bedeutung des Laserfokus im Prozess der additiven Fertigung, ein Element, das nach Angaben des Forschungsteams bisher kaum Beachtung gefunden hat.

"Das Schlüsselloch-Phänomen konnte aufgrund der in Argonne entwickelten Spezialfähigkeiten erstmals mit solchen Details betrachtet werden", sagt Tao Sun, ein Argonner Physiker und Autor des Beitrags. "Natürlich ist der intensive hochenergetische Röntgenstrahl am APS der Schlüssel."

Die Experimentierplattform, die das Studium der additiven Fertigung unterstützt, umfasst eine Laservorrichtung, spezialisierte Detektoren und dedizierte Strahlrohrinstrumente.

Im Jahr 2016 hat das Argonne-Team zusammen mit seinen Forschungspartnern das erste Röntgenvideo der laseradditiven Fertigung im Mikrometer- und Mikrosekundenbereich aufgenommen. Diese Studie steigerte das Interesse an den Techniken und den Arten von Problemen, die an der APS von Argonne untersucht werden konnten.

"Wir untersuchen wirklich das grundlegendste wissenschaftliche Problem, das mit Metall passiert, wenn man es mit einem Hochleistungslaser erwärmt", sagte Cang Zhao, Postdoc in Argonne und Mitautor der Arbeit. "Gleichzeitig sind wir aufgrund unserer einzigartigen experimentellen Fähigkeiten in der Lage, mit unseren Mitarbeitern an Experimenten zu arbeiten, die für Hersteller wirklich wertvoll sind."

Das Forschungsteam ist der Ansicht, dass diese Forschung die Hersteller von Maschinen für die additive Fertigung motivieren könnte, mehr Flexibilität bei der Steuerung der Maschinen zu bieten, und dass die verbesserte Nutzung der Maschinen zu einer deutlichen Verbesserung des Endprodukts führen könnte. Darüber hinaus könnte der Prozess des 3D-Drucks schneller werden, wenn auf diese Erkenntnisse reagiert wird.

"Es ist wichtig, weil der 3D-Druck im Allgemeinen recht langsam ist", sagte Rollett. "Es dauert Stunden, ein Teil zu drucken, das ein paar Zentimeter hoch ist. Das ist in Ordnung, wenn du es dir leisten kannst, für die Technik zu bezahlen, aber wir müssen es besser machen."

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