Usability and limitations of dimensionless scaling laws in Laser Powder Bed Fusion
Creators: name: Hanemann, Theresa
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Laser Powder Bed Fusion
LPBF
Additive Manufacturing
Additive Fertigung
Melt pool dimensions
Schmelzbaddimensionen
Scaling laws
dimensionless numbers
Dimensionslose Kennzahlen

description: In den letzten Jahrzenten fand die Technologie des pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzens (engl. Laser Powder Bed Fusion (LPBF)) neben der Prototypenfertigung zunehmend Anwendung in der industriellen Herstellung von Endprodukten. Um den damit gestiegenen Anforderungen an Bauteilqualität, Produktivität und Reproduzierbarkeit sowie der Erweiterung des verfügbaren Legierungs-Portfolios gerecht zu werden, müssen Prozessparameter für neue Legierungsysteme entwickelt und bereits bestehende Prozesse entsprechend den höheren Anforderungen und neuen Maschinenkonfigurationen angepasst werden. Auf Grund der Komplexität des pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzens werden Prozessfenster üblicherweise in einem kosten- und zeitaufwendigen Trial-and-Error-Verfahren entwickelt. Ein möglicher Ansatz die experimentelle Komplexität zu reduzieren besteht darin, verschiedene Prozessparameter zu einer Variable zu gruppieren und den Effekt dieser Variable als Ganzes zu evaluieren. Dieses Vorgehen findet gängige Anwendung in Formulierungen für den Energieeintrag. Allerdings berücksichtigen diese Energieeinträge keine Unterschiede in den physikalischen Materialeigenschaften verschiedener Legierungen womit die Übertragbarkeit von Prozessparametern zwischen Legierungssystemen erschwert wird. Dimensionslose Skalierungsgesetze könnten hier einen Vorteil bieten, da sie die relevanten thermophysikalischen Materialeigenschaften mit einbeziehen und damit das Schmelzverhalten materialunabhängig beschreiben. In der vorliegenden Arbeit wurde die Anwendbarkeit der dimensionslosen Enthalpie $H^∗$ - Verhältnis aus der durch den Laser in das Material eingebrachten zu der zum Aufschmelzen benötigten Energie - zur Charakterisierung der Schmelzbadgeometrie und der Formulierung eines gemeinsamen Prozessfensters für verschiedene Werkstoffe untersucht. Dafür wurden einzelne Schmelzspuren in einem breiten Parameterbereich und mit verschiedenen Legierungen auf Basis von Ni (EN 2.4668), Fe (EN 1.2709, EN 1.4404), Ti (EN 3.7164) und Al (EN AC-43000) hergestellt und deren Schmelzbadmorphologie sowie Stabilität evaluiert. Die Untersuchungen zeigen, dass die dimensionslose Enthalpie alleine nicht ausreicht um die Schmelzbaddimensionen hinreichend zu beschreiben. Daher wurde der Einfluss der Wärmeverteilung ausgedrückt durch die Peclet Zahl $Pe$ - Verhältnis aus Wärmeverteilung durch Konvektion zu Wärmeleitung - mit in den Untersuchungsrahmen aufgenommen. Bei konstanter dimensionsloser Enthalpie wurde eine nicht-monotone Abhängigkeit der Schmelzbadtiefe von der Peclet Zahl beobachtet. Bereiche niedriger und hoher Peclet Zahlen zeigten eine unterschiedliche Steigung und Vorzeichen dieser Abhängigkeit. Als Hypothese wurde aufgestellt, dass das unterschiedliche Verhalten auf eine Erhöhung der Wärmeverluste durch Wärmeleitung zusammen mit einer Umverteilung der Wärme innerhalb des Schmelzbades bei niedrigen Peclet Zahlen zurückgeführt werden kann. Für hohe Peclet Zahlen konnte eine quantitative Beziehung zwischen Peclet Zahl und Schmelzbadtiefe bei konstanter dimensionsloser Enthalpie aufgestellt werden. Basierend hierauf wurden zwei neue dimensionslose Kennzahlen zur Charakterisierung der Schmelzbadtiefe und -breite eingeführt ($H_{cd}^*$ und $H_{cw}^*$). Mit diesen beiden dimensionslosen Kennzahlen konnten die Schmelzbaddimensionen für die untersuchten Werkstoffe im Bereich des Tiefschweißens mit einem Fehler von ±32% und ±20% für Schmelzbadtiefe und Schmelzbadbreite vorhergesagt werden. Des Weiteren konnte die Skalierung mit $H_{cd}^*$ verwendet werden, um ein gemeinsames Prozessfenster für Fe-, Ni- und Ti-basierte Legierungen zu definieren. Das gefundene Prozessfenster konnte allerdings nicht für Al-basierte Legierungen verifiziert werden und weitere Forschung ist nötig um die beobachtete Abweichung zu erklären. Die Verwendung von $H_{cd}^*$ zur Vorhersage des Prozessfensters ist in einem materialspezifischen Bereich der Scangeschwindigkeit limitiert. Wobei der Verlust der Anwendbarkeit von $H_{cd}^*$ zur Tiefenvorhersage bei kleinen Peclet Zahlen das untere und der Beginn des Humping-Phänomens das obere Limit darstellt.