3D-Druck mit einer innovativen Expositionsstrategie neu denken

Juni 28, 2022 | Lesedauer: 7 min

Bei EOS erforschen wir ständig neue Technologien und Methoden, um den 3D-Druckprozess zu verbessern. Unser Team hat eine aufregende neue Strategie für die Laserbelichtung entwickelt, die zu einer besseren Produktionsqualität und einer Reduzierung des Energieaufwands führt.

Eine neue Strategie für die Laserbelichtung

Bei EOS erforschen wir ständig neue Technologien und Methoden, um den 3D-Druckprozess zu verbessern. Unser Team hat eine aufregende neue Strategie für die Laserbelichtung entwickelt, die zu einer besseren Produktionsqualität und einer Reduzierung des Energieaufwands führt.

Warum ist die Qualitätssicherung ein solches Anliegen?

Ein wesentlicher Vorteil des 3D-Drucks gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren ist seine Effizienz. Aber wie bei jeder relativ neuen Technologie gibt es noch viele Möglichkeiten für Fortschritte. Bei EOS arbeiten wir ständig daran, das Verfahren der additiven Fertigung (AM) zu verfeinern und zu verbessern. Im Rahmen unserer kontinuierlichen Bemühungen, die 3D-Drucktechnologie und -techniken weiterzuentwickeln, haben wir eine neue Belichtungsstrategie entwickelt, die im Vergleich zu den bisher geltenden Best Practices hervorragende Ergebnisse liefert.

In diesem Artikel führen wir Sie durch das gängige Verfahren des 3D-Laserdrucks, die damit verbundenen Herausforderungen und die Ergebnisse unserer Forschung zur Lösung dieser Probleme, die in der neuen Methodik gipfeln: Laser Center Depending Exposure Strategy (LCDS). Lesen Sie weiter, um zu sehen, wie eine scheinbar schrittweise Anpassung zu bedeutenden Veränderungen in der additiven Fertigung führen kann.

So funktioniert der LPBF-3D-Druck

Das Prinzip der additiven Fertigung ist durch seinen schichtweisen Aufbau gekennzeichnet. Der Aufbau beginnt mit einem 3D-generierten Modell (CAD), das in viele dünne Schichten zerlegt und an die AM-Maschine (den 3D-Drucker) geschickt wird. Im Drucker wird eine dünne Schicht Materialpulver auf die Bauplattform aufgetragen, und ein leistungsstarker Laserstrahl schmilzt das Pulver an bestimmten Stellen, die durch die computergenerierten Designdaten (das CAD-Modell) vorgegeben sind. Die Bauplattform wird dann um eine auftragsspezifische Höhe abgesenkt und eine weitere Schicht Pulver wird auf die Bauplattform aufgetragen. Die neue Materialschicht wird erneut aufgeschmolzen und mit der darunter liegenden Schicht verbunden. Diese Schritte werden so lange wiederholt, bis das endgültige Teil fertiggestellt ist.

Die hochpräzisen Laser des Druckers bewegen sich in einem vorgeschriebenen Muster über das Pulverbett und feuern nur in den Momenten, die für die Formung des digital entworfenen Objekts erforderlich sind. Während jede dünne Schicht des perfekt gleichmäßigen Pulvers aufgetragen wird, wiederholen die Laser das gleiche Bewegungsmuster über dem Bett.

Ein Team von EOS-Metalltechnikern hat eine Reihe von Experimenten durchgeführt, um einen alternativen Weg zur Programmierung der Laserzuweisung und -bewegung zu finden, der die Genauigkeit und die Fertigungsqualität erhöht. Bevor diese neue Methode erforscht werden kann, ist es jedoch wichtig zu verstehen, wie additive Fertigungslaser derzeit funktionieren.

Die aktuelle Strategie: DMLS

Bei der DLMS-Technologie - auch bekannt als Selective Laser Melting (SLM), Laser Powder Bed Fusion (LPBF) oder Laser Metal Fusion (LMF) - wird ein einheitliches Bewegungsmuster für die 3D-Drucklaser verwendet. Dieses Muster wird als Belichtungsstrategie bezeichnet. Der Laser bewegt sich von einem Ende des Pulverbetts zum anderen (die so genannte Streifenrichtung) und schlängelt sich dabei abwechselnd nach links und rechts über die Bauplattform (dies sind die Scan-Vektoren). Die Laser feuern bei jedem Durchgang, unabhängig von der Richtung, mit dem Ziel, rechtzeitig und effizient zu sein.

Ähnlich wie bei einem herkömmlichen Papierdrucker müssen die Laser nicht zu einer Seite der Bauplattform - dem "Rand", wie er auf Papier betrachtet wird - zurückkehren, bevor ein weiterer Scanvektor fertiggestellt wird. Das spart Zeit im Druckprozess, bringt aber auch einige potenzielle Probleme mit sich.

Spritzerbildung

Wenn die Laser auf das Pulverbett treffen, sintern sie das Material zu einem festen Gegenstand. Aufgrund des hohen Energieeintrags und der Bewegung der Laser werden jedoch einige Pulverpartikel vom Auftreffpunkt weggelenkt. Diese Partikel werden auch als Spritzer bezeichnet. Ähnlich wie Sandkörner vom Auftreffpunkt eines Balls weggeschleudert werden, bewegen sich diese Partikel in die Richtung, die durch den Auftreffwinkel vorgegeben ist.

Während des Belichtungsprozesses bewegen sich die Laser in verschiedene Richtungen und in unterschiedlichen Winkeln zum Pulverbett. Je nach Richtung der Laserbewegung wird eine unterschiedliche Menge an Spritzern aus dem Prozessbereich herausgeschleudert/abgelenkt. Das Ergebnis ist, dass die Pulverpartikel in unterschiedliche Richtungen abgelenkt werden, was zu einer ungleichmäßigen Pulveranhäufung an zufälligen Stellen führt.

Defekte in den Schichten

Die Verwendung alternierender Scan-Vektoren bedeutet, dass Spritzer potenziell überall auf der Bauplattform landen können, auch in Bereichen, die noch nicht gesintert wurden. Dies bedeutet, dass die perfekt gleichmäßige Oberfläche des Pulverbettes beeinträchtigt ist und die Bereiche, die anschließend von den Lasern getroffen werden, möglicherweise ungleichmäßig sind. Die Menge der sich bildenden Spritzer ist ebenfalls wichtig, denn je mehr Spritzer, desto weniger Material bleibt übrig, um die gewünschte feste Oberfläche zu bilden.

Das Ergebnis sind winzige Unregelmäßigkeiten in jeder Schicht, da an bestimmten Stellen des Sintervorgangs zu viel oder zu wenig Pulver vorhanden war. Dies führt dazu, dass die nachfolgende Pulverschicht ungleichmäßig ist, da sie die Lücken ausfüllen muss, in denen sich die vorhergehende Schicht nicht gleichmäßig gebildet hat, was zu Punkten führt, an denen eine Schicht nicht richtig mit der vorherigen verbunden ist. Dies führt zu Mängeln und Schwachstellen im Endprodukt.

Die Lösung: Laser Center Depending Exposure Strategy (LCDS)

Durch umfangreiche Experimente hat unser Team festgestellt, dass die Verwendung von abwechselnden Scan-Vektoren und Streifen nicht die effektivste Strategie für das Lasersintern ist. Das Team isolierte kleine Querschnittsbereiche der Bauplattform und testete verschiedene Kombinationen von Streifenrichtungen und unidirektionalen Scan-Vektoren für jedes Laserzentrum (die Positionierung des Lasers über der Plattform). Bestimmte Kombinationen ergaben qualitativ hochwertigere Ergebnisse als andere, ermöglichten es dem Team jedoch, die für das jeweilige Laserzentrum optimalen Kombinationen zu ermitteln.

Das Team kam zu dem Schluss, dass die Verwendung von Belichtungsmustern, bei denen die Streifen und unidirektionalen Scan-Vektoren auf eine bestimmte Art und Weise mit dem entsprechenden Laserzentrum ausgerichtet sind, zu einer Verringerung von Unvollkommenheiten und einer Erhöhung der Homogenität der Teile auf der gesamten Bauplattform führt. Die Position des Laserzentrums wird als Leitkriterium vorgeschlagen, weshalb die Strategie als "Laser Center Depending Exposure Strategy" (LCDS) bezeichnet wird.

Dies ist vor allem dann von Bedeutung, wenn es um die Herstellung von Präzisionsteilen geht, wie sie in der Luftfahrttechnik benötigt werden, wo kleinste Unregelmäßigkeiten schwerwiegende Folgen haben können. Wir haben damit begonnen, Aspekte unserer LCDS-Erkenntnisse in unsere 3D-Drucksoftware einzubauen, um den Nutzern diese Qualitätsvorteile zu bieten. Mit der Zeit wollen wir diese neue Methode verstärkt in unsere Produkte integrieren.