Stützstrukturreduzierung mittels Partikelapplikation beim pulverbettbasierten Schmelzen von Metallen mittels Laserstrahl

Stützstrukturen stellen ein zentrales Hemmnis für einen breiten industriellen Einsatz des PBF-LB/M dar. Der in der vorliegenden Arbeit verfolgte Lösungsansatz ist die Erhöhung der effektiven Wärmeleitfähigkeit des Pulverbettes durch die Applikation von Wärmeleitpartikeln. Hierdurch können Überhitzungen und Wärmestauungen insbesondere in überhängenden Bauteilbereichen vermieden werden, wodurch der Bedarf an Stützstrukturen reduziert wird.

Die additive Fertigung bietet diverse Potentiale wie die Ermöglichung einer ressourceneffizienten Fertigung, die effiziente Fertigung von geometrisch-komplexen oder individualisierten Produkten sowie die Verkürzung von Innovationszyklen. Von besonderer Relevanz für die industrielle Anwendung ist das additive Fertigungsverfahren des pulverbettbasierten Schmelzens von Metallen mittels Laserstrahl (engl. powder bed fusion of metals with laser beam, PBF-LB/M), welches das am häufigsten eingesetzte additive Fertigungsverfahren für die Herstellung metallischer Bauteile repräsentiert. Eine zentrale Herausforderung des PBF-LB/M ist die aus den bauteil- und orientierungsabhängigen Wärmeleitungsbedingungen resultierende Notwendigkeit von Stützstrukturen zur Fertigung überhängender Bauteilbereiche. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Reduzierung der prozessbedingten Stützstrukturen beim PBF-LB/M mit dem Ziel, bestehende Hemmnisse für einen breiten industriellen Einsatz des Fertigungsverfahrens abzubauen. Hierfür wurde ein Prozess entwickelt, mit dem die effektive Wärmeleitfähigkeit des Pulverbettes unterhalb überhängender Bauteilbereiche lokal erhöht werden kann. Die Erhöhung der effektiven Wärmeleitfähigkeit des Pulverbettes wird durch Wärmeleitpartikel realisiert, die in einer Tinte dispergiert vorliegen und schichtweise in die Hohlräume zwischen den Metallpulverpartikeln appliziert werden. Hierfür wurden zunächst geeignete Wärmeleitpartikel systematisch ausgewählt und in einer mittels Inkjet-Druck verarbeitbaren Tinte dispergiert. Im Anschluss wurden die Einflüsse des Tintenauftrags auf die Eigenschaften des Pulverbettes sowie auf den PBF-LB/M-Prozess experimentell untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass durch die lokal erhöhte effektive Wärmeleitfähigkeit des Pulverbettes Überhitzungen und Wärmestauungen insbesondere in überhängenden Bauteilbereichen vermieden werden können, wodurch der Bedarf an Stützstrukturen reduziert wird.