Physikalische Grundlagen der Multistrahlbelichtung beim selektiven Laserschmelzen

Abstract

Physikalisch bedingte Limitierungen schränken im selektiven Laserschmelzen die wählbaren Prozessparameter bei der konventionellen Einzelstrahlbelichtung ein und verhindern eine weitere Erhöhung der Produktivität. Die Anwendung der Multistrahlbelichtung ermöglicht durch ihren hohen Freiheitsgrad einen flexiblen Leistungseintrag und stellt so eine vielversprechende Alternative zur Einzelstrahlbelichtung dar. Das Verständnis der physikalischen Grundlagen der Multistrahlbelichtung beim selektiven Laserschmelzen ist für die Erweiterung der Prozessgrenzen in Richtung höherer Bauraten notwendig. Es wurde eine experimentelle und simulative Prozessumgebung entwickelt, die die Untersuchung der Multistrahlbelichtung im selektiven Laserschmelzen ermöglicht. Durch den flexiblen Leistungseintrag mit mehreren Laserstrahlen verlieren die bisherigen Prozesslimitierungen an Gültigkeit. Mit einem analytischen Temperaturmodell wurde die optimale Laserstrahlverteilung auf Basis der Wärmeleitung ermittelt, sodass generierte Schmelzbäder eine breite und flache Kontur aufweisen. Das entwickelte analytische Modell wurde erfolgreich zum Aufbau des grundlegenden Prozessverständnisses verwendet. So zeigen Modell und Experiment, dass die Laserstrahlen senkrecht zur Scanrichtung in einem parameterabhängigen Abstand zueinander anzuordnen sind, um einen stabilen Prozess mit hohem Produktivitätslevel zu erreichen. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurden unterschiedliche Strategien der Multistrahlbelichtung auf ihren Einfluss auf die Schmelzbadbildung untersucht. Darüber hinaus wurden quaderförmige Probekörper mit der Einzel- und Multistrahlbelichtung generiert und auf ihre Produktivität, Dichte und Oberflächenbeschaffenheit hin bewertet. Mit einem koaxialen Prozessüberwachungssystem konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass durch die Multistrahlbelichtung weniger Spritzer entstehen und eine höhere Prozessstabilität vorliegt. Anhand der Untersuchungen wird belegt, dass mit der Multistrahlbelichtung Bauteile hoher Dichte und erhöhter Produktivität aufgebaut werden können. Darüber hinaus wurde mit der experimentellen Prozessumgebung gezeigt, dass die Limitierungen der Einzelstrahlbelichtung bei stabilen Prozessbedingungen überwunden werden. Diese Arbeit zeigt die physikalischen Wechselwirkungen der Multistrahlbelichtung auf, mit der bisherige Limitierungen in der Parameterwahl überwunden werden. Durch die Generierung breiter und flacher Schmelzbäder sind höhere Energieeinträge möglich, sodass eine Aufbauratensteigerung unter stabilen Prozessbedingungen realisiert wird.