Einfluss des Laserstrahldurchmessers auf das Bearbeitungsergebnis beim Laser Powder Bed Fusion

Die vorliegende Arbeit erforscht die Anlagenübertragbarkeit von LPBF-Anlagen als Schlüssel zum größeren industriellen Einsatz des ökologischen und ökonomischen Fertigungsverfahrens. Aufgrund der Komplexität des Themas wird nur der Teilaspekt des Einflusses des Bearbeitungswerkzeuges auf das Bearbeitungsergebnis fokussiert. Ziel der Untersuchung ist der Anlagenübertrag des Bearbeitungsergebnisses zwischen Anlagen mit einer maximalen Abweichung des Bearbeitungsstrahldurchmessers zwischen 34 μm und 100 μm. Dies umfasst nahezu alle aktuell kommerziell verfügbaren LPBF-Anlagensysteme. Ergebnis ist, dass der Übertrag für alle aktuell industriell verfügbaren Fokusstrahldurchmesser von 34 - 100 μm gelingt. Dabei werden drei verschiedene Methodiken zum Übertrag betrachtet. Die erste Methodik findet Anwendung bei Abweichung des Bearbeitungsstrahldurchmessers kleiner 15 %. In diesen Fällen wurde die normierte Enthalpie oder die Intensität Umrechnung als zielführend identifiziert. Werden die Abweichungen größer, scheitert diese Methodik. In diesem Fall ist eine Betrachtung des Umschmelzregimes sinnvoll. Mithilfe des Breiten- zu Tiefenverhältnisses wird das Übergangsschweißregime reproduziert. Im dritten Fall wird mit Defokussierung gearbeitet. Dabei kann der kleinste Fokusstrahldurchmesser auf den doppelten Durchmesser defokussiert werden. So wird weiterhin mit ein und demselben Bearbeitungsstrahldurchmesser bearbeitet und die Bearbeitungsergebnisse werden bei guter Strahlqualität vergleichbar. In den Untersuchungen war eine Fokusverschiebung oberhalb der Pulverbettebene zielführend. Die Anlagenübertragbarkeit ist bei Beachtung der Bedeutung des Bearbeitungswerkzeuges möglich und trägt so zur Skalierbarkeit des LPBF Verfahrens bei. Durch ihre ökologisch hocheffizienten Eigenschaften und die ökonomischen Vorteile der Skalierung trägt die Arbeit einen Beitrag zur Reduktion des industriellen Ressourcenverbrauchs bei. Davon wiederum profitieren Umwelt, Klima und zukünftige Generationen.

The present work investigates machine-transferability of LPBF systems as key to an increasing industrial application of the ecological and economical LPBF manufacturing process. Due to the complexity of the topic, this work focuses on the machining tool (Laser) influence on the manufacturing result. The aim of the investigation is the system transfer of the manufacturing result in between a maximum deviation of the LPBF-system beam diameter between 34 μm and 100 μm. This includes almost all currently commercially available LPBF systems. The result is that the transfer is possible for all currently industrially available focus beam diameters from 34 - 100 μm. Three different methods for machinetransferring are considered. The first method is used for deviations of the processing beam diameter of less than 15 %. In these cases, the normalized enthalpy or intensity conversion has been identified as successful. If the deviation in between the systems increases, this methodology fails. In this case, a consideration of the melt pool regime is useful. Using the width to depth ratio, the transition-welding regime is proofed to be successful. In the third case, defocusing is used. In this case, the smallest focus beam diameter can be defocused to twice its diameter. Resulting in a manufacturing with one and the same beam diameter the machining results become comparable, when a focus shift above the powder bed level is used. Machine-transferability is possible when the importance of the machining tool (Laser) is considered, thus contributing to the scalability of the LPBF process. Due to its ecologically highly efficient properties and the economic advantages of industrial scaling methods, the work contributes to the reduction of industrial resource consumption. As return the environment, the climate and future generations will benefit from this work.