Entdeckung einer neuen Fehlstelle beim 3D-Druck: Schwindungs-Porosität

Beim Laser-Pulverbett-Schmelzverfahren (PBF-LB) zur additiven Fertigung haben Forscher*innen eine bisher übersehene Fehlstelle entdeckt: die Schwindungs-Porosität. Der Doktorand der mechanischen Ingenieurwissenschaften, William Frieden Templeton, untersuchte die Auswirkungen der PBF-LB-Prozessparameter auf die Mikrostruktur und stieß dabei auf diese häufig auftretende Defektform bei Metallguss.
Während des Erstarrungsvorgangs zieht sich das Metall volumetrisch zusammen, wenn es vom flüssigen in den festen Zustand übergeht. Wenn sich aufgrund der Erstarrungsstruktur die flüssigen Metallflüsse nicht mit dem zusammenziehenden Metall füllen können, entstehen Schwindungsporen. Diese Poren sind auf Mikrostrukturebene schwer zu erkennen und ähneln oft kleinen Polierspuren.

Normalerweise können Schwindungsporen durch das schichtweise PBF-LB-Druckverfahren entfernt werden, indem das geschmolzene Metall die Poren bei der Nachschmelzung wieder auffüllt. Alternativ können sie während der Nachbearbeitung entfernt werden, wenn sie sich nahe der Oberfläche des Bauteils befinden. Schwierigkeiten entstehen jedoch, wenn die Poren so tief sind, dass die nächste Metallschicht sie bei der Nachschmelzung nicht entfernen kann.

Das Forscherteam, geleitet von Prof. Chris Pistorius und Assistenzprofessorin Sneha Narra Prabha Narra, hat die Schwindungs-Porosität erstmals ausführlich untersucht und ihre Entstehung auf den Grundlagen der Erstarrung und der L-PBF-Verarbeitung erklärt. Mithilfe einer interdisziplinären und kollaborativen Herangehensweise konnte diese Fehlstelle kartiert werden und wertvolle Informationen zur Prozessentwicklung liefern.

Dieser neu entdeckte Defekt wird voraussichtlich keinen Einfluss auf bereits etablierte Prozessparameter haben, da diese meist bei niedrigen Drucktemperaturen eingestellt sind. Dennoch werden Hersteller von 3D-gedruckten Bauteilen in Zukunft verstärkt auf diese Problematik achten müssen. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit tragen dazu bei, das Verständnis für die Bildung von Defekten zu verbessern und mögliche Präventivmaßnahmen zu entwickeln.

Diese Entdeckung zeigt, wie wichtig es ist, dass Studierende ihre theoretischen Kenntnisse in ihre Forschungsprojekte einbringen. Die mechanistische Erklärung der Schwindungs-Porosität ermöglicht es Forschern, Lösungsstrategien vorzuschlagen und die additive Fertigung weiter zu optimieren. In der Zukunft können weitere Fortschritte bei den Prozessparametern des PBF-LB erwartet werden, um die Qualität der 3D-gedruckten Bauteile weiter zu verbessern und Defekte wie die Schwindungs-Porosität zu minimieren.

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zum Laser-Pulverbett-Schmelzverfahren (PBF-LB) zur additiven Fertigung:

1. Was ist das PBF-LB-Verfahren?
Das PBF-LB-Verfahren ist ein additiver Fertigungsprozess, bei dem Metallbauteile schichtweise aufgebaut werden, indem ein Laser auf ein Metallpulverbett gerichtet wird, um das Pulver selektiv zu schmelzen und zu verbinden.

2. Was ist die Schwindungs-Porosität?
Die Schwindungs-Porosität ist eine bisher übersehene Fehlstelle, die im PBF-LB-Verfahren auftritt. Dabei entstehen Poren auf Mikrostrukturebene, wenn das Metall während des Erstarrungsvorgangs volumetrisch schrumpft und die flüssigen Metallflüsse nicht vollständig aufgefüllt werden können.

3. Wie entstehen Schwindungsporen?
Schwindungsporen entstehen, wenn das flüssige Metall aufgrund der Erstarrungsstruktur nicht vollständig mit dem zusammenziehenden Metall interagieren kann, während es in den festen Zustand übergeht. Dadurch bleiben Poren im Metall zurück, die schwer zu erkennen sind und oft wie kleine Polierspuren aussehen.

4. Können Schwindungsporen im PBF-LB-Verfahren entfernt werden?
Normalerweise können Schwindungsporen durch das schichtweise PBF-LB-Druckverfahren entfernt werden, indem das geschmolzene Metall die Poren bei der Nachschmelzung wieder auffüllt. Alternativ können sie auch während der Nachbearbeitung entfernt werden, sofern sie nahe der Oberfläche des Bauteils liegen. Schwierigkeiten entstehen jedoch, wenn die Poren zu tief sind, um von der nächsten Metallschicht bei der Nachschmelzung entfernt zu werden.

5. Welche Bedeutung hat die Entdeckung der Schwindungs-Porosität?
Die Entdeckung der Schwindungs-Porosität ermöglicht ein besseres Verständnis der Bildung dieses Defekts und hilft Herstellern von 3D-gedruckten Bauteilen bei der Entwicklung von Präventivmaßnahmen. Es wird erwartet, dass diese Erkenntnisse die additive Fertigung weiter optimieren und die Qualität der 3D-gedruckten Bauteile verbessern werden.

6. Wie können Studierende zur Verbesserung der additiven Fertigung beitragen?
Die Einbindung theoretischer Kenntnisse von Studierenden in Forschungsprojekte ist entscheidend, um mechanistische Erklärungen für Defekte wie die Schwindungs-Porosität zu finden. Dadurch können Lösungsstrategien vorgeschlagen und die additive Fertigung weiter optimiert werden.

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