1. Einführung in den 3D-Metalldruck und die Kontrolle von Eigenspannungen

Die Metall-3D-Drucktechnologie hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt und findet heute breite Anwendung in wichtigen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Medizintechnik. Zu ihren Kernvorteilen zählen die Konstruktion leichter Bauteile und die kundenspezifische Fertigung, wodurch die Grenzen traditioneller Fertigungsmethoden überwunden werden. Allerdings können verschiedene Schlüsselfaktoren im 3D-Druckprozess die Qualität des Endprodukts beeinträchtigen, insbesondere Eigenspannungen, die Bauteilpositionierung, die Konstruktion von Stützstrukturen und die Bauteiloptimierung. Dieser Artikel untersucht den Mechanismus der Eigenspannungsentstehung beim Metall-3D-Druck und entsprechende Kontrollstrategien.

2. Mechanismus der Entstehung von Eigenspannungen

Eigenspannungen sind eine unvermeidliche Folge der schnellen Erwärmung und Abkühlung beim 3D-Metalldruck, insbesondere bei Verfahren wie dem Laser-Pulverbett-Schmelzen (LPBF). Jede neue Materialschicht entsteht folgendermaßen: Der fokussierte Laser fährt über das Pulverbett, schmilzt die Oberflächenschicht und verbindet sich metallurgisch mit der darunterliegenden Schicht. Die Wärme des Schmelzbades wird rasch zum darunterliegenden festen Metall abgeleitet, wodurch dieses innerhalb von Mikrosekunden abkühlt und erstarrt.

Während dieses Prozesses schrumpft die neu gebildete Metallschicht beim Abkühlen und Erstarren. Diese Schrumpfung wird jedoch durch die darunterliegende feste Struktur behindert, was zu erheblichen Scherspannungen zwischen den Schichten führt. Konkret bedeutet dies: Wenn der Laser das Metall auf einem festen Substrat schmilzt, bewirken das kontinuierliche Schmelzen und die Wärmeleitung, dass das abkühlende Metall schrumpft. Dadurch entstehen Scherspannungen zwischen der neuen Metallschicht und der darunterliegenden Schicht.

3. Folgen von Restspannungen

Eigenspannungen können die Qualität der gedruckten Teile erheblich beeinträchtigen. Mit zunehmender Schichtanzahl akkumulieren sich die Spannungen und können zu folgenden Problemen führen:

• BauteilverformungDurch die entstehenden Spannungen kann es zu Verformungen an den Kanten des Bauteils kommen, was zum Versagen der Stützstruktur führen kann.
• GrundplattentrennungWenn das Bauteil eine große Kontaktfläche zur Grundplatte aufweist, können sich die Kanten des Bauteils von der Grundplatte lösen.
• Strukturelle RissbildungWenn die Belastung die Festigkeitsgrenzen des Materials überschreitet, kann es zu katastrophaler Rissbildung oder Verformung des Bauteils oder der Grundplatte kommen.

Diese Probleme sind besonders bei Bauteilen mit großen Querschnitten erkennbar, da die größere Grenzfläche die Distanz vergrößert, über die Scherspannungen wirken, was die Verformung des Bauteils oder der Grundplatte verstärkt.

4. Strategien zur Kontrolle von Restspannungen

1. Strukturoptimierung im Design

Um die Spannungsakkumulation zu minimieren, sollten Eigenspannungen bereits in der Produktentwicklungsphase berücksichtigt werden. Zu den Optimierungsmöglichkeiten im Design gehören:

• Nutzung rationaler Unterstützungsstrukturen: Stellen Sie sicher, dass die Stützstrukturen strategisch platziert sind, um die Belastung auszugleichen.
• Optimierung der Teileausrichtung: Passen Sie die Bauteilausrichtung an, um Spannungsspitzen während des Druckvorgangs zu vermeiden.
• Vermeidung plötzlicher Querschnittsänderungen: Bauteile mit allmählichen Querschnittsänderungen konstruieren, um Spannungsspitzen zu vermeiden.

2. Optimierung der Prozessparameter

• Wahl der SubstratdickeDurch die Wahl der geeigneten Dicke des Grundmaterials kann die Spannungsentwicklung reduziert werden.
• Vorwärmen des Substrats: Vorwärmen des Substrats, z. B. durch Verwendung einer Vorwärmtemperatur von 80°C Beim Drucken von Edelstahl 316L können thermische Gradienten und Spannungen reduziert werden.
• Präzise Steuerung der Schichtdicke und der LaserparameterDurch die sorgfältige Kontrolle dieser Parameter wird ein gleichmäßiges Schmelzen und Erstarren gewährleistet und die Restspannung reduziert.

3. Verbesserte Scanstrategien

Um die Eigenspannungen beim Lasersintern zu reduzieren, kann die Optimierung des Laserscanpfads und der Art der Metallpulverbefüllung zu einer gleichmäßigeren Spannungsverteilung beitragen. Zu den Strategien gehören:

• Anwendung der zonierten ScanstrategieUm thermische Gradienten zu minimieren, sollte der Arbeitsbereich in Abschnitte unterteilt werden.
• Implementierung des rotierenden Scanmodus: Durch Drehen des Scanmusters lassen sich lokale Erwärmungs- und Abkühlungseffekte reduzieren.
• Optimierung der Scanvektorlänge und -richtungPassen Sie die Scanweglänge und -richtung an, um die Wärme gleichmäßiger über das Bauteil zu verteilen.

5. Die Lösung von Greenstone-Tech zur Kontrolle von Eigenspannungen

Durch systematische Prozessforschung und Parameteroptimierung hat Greenstone-Tech eine umfassende Lösung zur Eigenspannungskontrolle entwickelt. Diese Lösung verbessert die Dimensionsstabilität und die Gesamtqualität von 3D-gedruckten Metallteilen und bietet unseren Kunden zuverlässigere Lösungen für die additive Fertigung.