Titelaufnahme

Titel
Einfluss der Schutzgasströmung auf die Schmelzbadgeometrie im L-PBF Prozess (Ti6Al4V)
Weitere Titel
Influence of the protective gas flow on the melt bath geometry in the L-PBF process (Ti6Al4V)
AutorInnenEpple, Corinna
GutachterGeyer, Sebastian
Erschienen2018
Datum der AbgabeAugust 2018
SpracheDeutsch
DokumenttypBachelorarbeit
Schlagwörter (DE)SLM Prozess / Einzelspurversuche / Mehrfachspurenversuche / Schutzgasströmung / Abströmwinkel / Highspeedaufnahmen / Kapillar-dominierter SLM Prozess / Wärmeleitender SLM Prozess
Schlagwörter (EN)Additive Manufacturing / Selective Laser Melting / Laser Powder Bed Fusion / Singletracks / Multitracks
Zugriffsbeschränkung
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Die industrielle Nachfrage nach genaueren, schnelleren, zugleich leichteren und kostengünstigeren Lösungen in der Fertigung, wird durch die stetige Weiterentwicklung des 3D Druck immer weiter abgedeckt. Durch die Entwicklung und Verifizierung von neuen Metallpulverlegierungen, wird auch die Anwendung von verschiedenen Materialien im Metall 3D-Druck (= Laser Powder Bed Fusion, kurz L-PBF) stetig verbessert. Jedoch ist die Forschung mit bereits in der Industriellen Anwendung verwendeten Metallpulvern, wie das vor allem in der Luftfahrt verwendeten Ti6Al4V, noch nicht abgeschlossen. Einflussfaktoren wie die Schutzgasströmung innerhalb des Bauprozesses von Metallen wurden in der Literatur bereits angesprochen und diskutiert, jedoch nicht verifiziert. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Schutzgasströmung auf den L-PBF Prozess (Schmelzbadgeometrie) anhand von Einzel- und Mehrfachspurversuchen auf Substratplatten aus Ti6Al4V quantifiziert.

Im Vorfeld dieser Arbeit wurde eine umfangreiche Literatur- und Internetrecherche in Bezug auf die verwendeten Schutzgase, Analysen und Verbesserungen der Schutzgasströmung im L-PBF-Prozess durchgeführt, sowie Informationen über bisherige Untersuchungen der Schmelzbadgeometrien eingeholt. Diese Erkenntnisse werden bei der Durchführung der Versuche und bei der anschließenden Ergebnisinterpretation und Diskussion berücksichtigt.

Untersucht werden vier verschiedene Experimente an einer Laboranlage des Fraunhofer ILT durchgeführt. Ein Versuch mit 11 unterschiedlichen Belichtungsparametern, wird zur Verifizierung von bereits bekannten Schmelzbadtiefenunterschieden bei paralleler und antiparalleler Scan- zur Schutzgasrichtung verwendet. Anschließend wird die Abhängigkeit der Schmelzbadtiefen zur Schutzgasströmung anhand verschiedener Winkel zwischen Scan- und Schutzgasströmungsrichtung untersucht. Zudem wird bei der Belichtung von Einzelspurversuchen der Abströmwinkel des Schutzgases mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen mit verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten aufgezeichnet. Um mögliche Korrelationen abzuleiten, werden die Abströmwinkel für zwei unterschiedliche Belichtungsparametern untersucht. Die vierte experimentelle Untersuchung beschäftigt sich mit dem Einfluss der Schutzgasströmung auf die prozessinhärente Vorwärmung. Hierzu werden unidirektional mehrere Belichtungsspuren nebeneinander umgeschmolzen (Multitracks) und die Schmelzbadgeometrie vermessen. Auch dieses Experiment wird mit zwei Belichtungsparametern durchgeführt.

Zusammenfassend wurde auf die Erkenntnisse aus den durchgeführten Versuchen in einem Fazit eingegangen. Zum Schluss wurde ein Ausblick für folgende experimentelle Untersuchungen der Schutzgasströmung innerhalb des L-PBF-Prozesses erstellt.

Zusammenfassung (Englisch)

The industry’s demand for more accurate, faster, lighter and more cost-effective manufacturing solutions is served by the rapidly evolving additive manufacturing. Through the development and verification of new metal powder alloys and the usage of various metals in additive manufacturing of metals (= Laser Powder Bed Fusion, short L-PBFL-PBF) is constantly improving. However, researches for metal powders which are already used in industrial applications, such as Ti6Al4V, (mainly used in aerospace) is still ongoing. Influencing factors such as the protective gas flow within the building process have already been addressed and discussed in further literature but haven’t been verified yet. This thesis deals with the quantification of the influence of inert gas flow on the L-PBF process due to single and multitrack tests at Ti6Al4V substrate plates.

In preparation to this work a comprehensive literature and internet research was conducted on the protective gases that are used. In addition to that analyzes and improvements of the protective gas flow in the L-PBF process were accomplished. Furthermore, information on previous investigations of the melt bath geometries was gathered. The knowledge obtained through the research were implemented in the subsequent interpretation of results and discussion of the experiments made.

Four different experimental studies were accomplished at a laboratory facility of the Fraunhofer ILT. A test with fixed exposure parameters was performed to verify occurring melt bath depth differences with two different laser scan directions to the protective gas flow direction. Subsequently, the dependence of the melt bath depths on the protective gas flow is examined based on different angles between the scan and gas flow direction. Furthermore, the outflow angle of the protective gas and particles is recorded with single-track tests and high-speed recordings with different flow velocities. To derive possible correlations, the outflow angles are examined for two different exposure parameters. The fourth experiment deals with the influence of the protective gas flow on the process-hardening preheating. Several exposure tracks are melted unidirectionally next to each other (=multitrack) and measured by the melt bath depths. This experiment is also performed with two different exposure parameters.

Finally, the results of the experiments were summarized in a conclusion. An outlook was prepared for following experimental investigations of the protective gas flow within the L-PBF process.