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Es wird ein neuer Mechanismus zur Steuerung der Mikrostruktur von Produkten im Fertigungsprozess mittels selektivem Laserschmelzen vorgestellt. Dieser Mechanismus basiert auf der Erzeugung hochintensiver Ultraschallwellen im Schmelzbad durch komplexe intensitätsmodulierte Laserbestrahlung. Experimentelle Untersuchungen und numerische Simulationen belegen die technische Machbarkeit dieses Steuerungsmechanismus und seine effektive Integration in die Konstruktion moderner Anlagen zum selektiven Laserschmelzen.
Die additive Fertigung (AM) komplex geformter Bauteile hat in den letzten Jahrzehnten stark zugenommen. Trotz der Vielfalt additiver Fertigungsverfahren, darunter selektives Laserschmelzen (SLM)^1,2,3, direktes Laserauftragschweißen^4,5,6, Elektronenstrahlschmelzen^7,8 und weitere^9,10, können die Bauteile jedoch Defekte aufweisen. Dies ist hauptsächlich auf die spezifischen Eigenschaften des Schmelzbad-Erstarrungsprozesses zurückzuführen, die mit hohen Temperaturgradienten, hohen Abkühlraten und der Komplexität der Heizzyklen beim Schmelzen und Umschmelzen von Werkstoffen¹¹ einhergehen und zu epitaxialem Kornwachstum und signifikanter Porosität^12,13 führen. Die Ergebnisse zeigen, dass es notwendig ist, Temperaturgradienten, Abkühlraten und die Legierungszusammensetzung zu kontrollieren oder zusätzliche physikalische Impulse durch externe Felder mit verschiedenen Eigenschaften (z. B. Ultraschall) anzuwenden, um feine, gleichachsige Kornstrukturen zu erzielen.
Zahlreiche Veröffentlichungen befassen sich mit dem Einfluss der Vibrationsbehandlung auf den Erstarrungsprozess in konventionellen Gießverfahren^14,15. Die Anwendung eines externen Feldes auf die Schmelze führt jedoch nicht zur gewünschten Materialmikrostruktur. Bei geringem Volumen der flüssigen Phase ändert sich die Situation dramatisch. In diesem Fall beeinflusst das externe Feld den Erstarrungsprozess signifikant. Elektromagnetische Effekte wurden bei intensiven akustischen Feldern^{16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27}, Lichtbogenrührung²⁸ und Oszillation²⁹, gepulsten Plasma-Lichtbögen^30,31 und anderen Methoden³² untersucht. Die Anwendung erfolgt mittels einer externen, hochintensiven Ultraschallquelle (20 kHz) auf das Substrat. Die ultraschallinduzierte Kornfeinung wird auf die vergrößerte Unterkühlungszone aufgrund des reduzierten Temperaturgradienten und die Ultraschallverstärkung zur Bildung neuer Kristallite durch Kavitation zurückgeführt.
In dieser Arbeit untersuchten wir die Möglichkeit, die Kornstruktur austenitischer Edelstähle durch Beschallung des Schmelzbades mit vom Schmelzlaser selbst erzeugten Schallwellen zu verändern. Die Intensitätsmodulation der auf das lichtabsorbierende Medium einfallenden Laserstrahlung führt zur Erzeugung von Ultraschallwellen, welche die Mikrostruktur des Materials verändern. Diese Intensitätsmodulation der Laserstrahlung lässt sich problemlos in bestehende SLM-3D-Drucker integrieren. Die Experimente dieser Arbeit wurden an Edelstahlplatten durchgeführt, deren Oberflächen mit intensitätsmodulierter Laserstrahlung behandelt wurden. Technisch gesehen handelt es sich also um eine Laser-Oberflächenbehandlung. Wird diese Laserbehandlung jedoch während des schichtweisen Aufbaus auf die Oberfläche jeder einzelnen Schicht angewendet, werden Effekte auf das gesamte Volumen oder auf ausgewählte Bereiche des Volumens erzielt. Mit anderen Worten: Wird das Bauteil schichtweise aufgebaut, entspricht die Laser-Oberflächenbehandlung jeder Schicht einer „Laser-Volumenbehandlung“.
Bei der Ultraschalltherapie mit einem Ultraschallhorn verteilt sich die Ultraschallenergie der stehenden Schallwelle über das gesamte Bauteil, während die laserinduzierte Ultraschallintensität in der Nähe des Absorptionspunktes der Laserstrahlung stark konzentriert ist. Der Einsatz einer Sonotrode in einer SLM-Pulverbettfusionsanlage ist komplex, da die der Laserstrahlung ausgesetzte Oberfläche des Pulverbetts stationär bleiben muss. Zudem herrschen an der Oberseite des Bauteils keine mechanischen Spannungen. Daher ist die akustische Spannung nahezu null, und die Partikelgeschwindigkeit weist über die gesamte Oberseite des Bauteils eine maximale Amplitude auf. Der Schalldruck im gesamten Schmelzbad kann 0,1 % des maximalen Drucks des Schweißkopfes nicht überschreiten, da die Wellenlänge von Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 20 kHz in Edelstahl etwa 0,3 m beträgt und die Eindringtiefe üblicherweise unter 0,3 mm liegt. Daher ist der Einfluss von Ultraschall auf die Kavitation gering.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung von intensitätsmodulierter Laserstrahlung bei der direkten Lasermetallabscheidung ein aktives Forschungsgebiet ist35,36,37,38.
Der thermische Effekt der auf das Medium einfallenden Laserstrahlung ist die Grundlage für nahezu alle Lasertechniken 39, 40 zur Materialbearbeitung, wie z. B. Schneiden41, Schweißen, Härten, Bohren42, Oberflächenreinigung, Oberflächenlegierung, Oberflächenpolieren43 usw. Die Erfindung des Lasers regte neue Entwicklungen in der Materialbearbeitungstechnik an, und erste Ergebnisse wurden in zahlreichen Übersichtsartikeln und Monographien44,45,46 zusammengefasst.
Es ist zu beachten, dass jede nichtstationäre Einwirkung auf das Medium, einschließlich der Laserwirkung auf das absorbierende Medium, zur Anregung von Schallwellen in diesem Medium mit mehr oder weniger hoher Effizienz führt. Anfänglich lag der Schwerpunkt auf der Laseranregung von Wellen in Flüssigkeiten und den verschiedenen thermischen Anregungsmechanismen von Schall (thermische Ausdehnung, Verdampfung, Volumenänderung bei Phasenübergängen, Kontraktion usw.)^{47, 48, 49}. Zahlreiche Monographien^{50, 51, 52} liefern theoretische Analysen dieses Prozesses und seiner möglichen praktischen Anwendungen.
Diese Fragestellungen wurden anschließend auf verschiedenen Konferenzen diskutiert, und die Laseranregung von Ultraschall findet sowohl in industriellen Anwendungen der Lasertechnologie⁵³ als auch in der Medizin⁵⁴ Anwendung. Daher kann davon ausgegangen werden, dass das Grundprinzip des Prozesses, bei dem gepulstes Laserlicht auf ein absorbierendes Medium einwirkt, etabliert ist. Die Laser-Ultraschallprüfung wird zur Fehlererkennung an SLM-gefertigten Proben eingesetzt^55,56.
Die Wirkung lasererzeugter Stoßwellen auf Werkstoffe ist die Grundlage des Laserstrahlverfestigens57,58,59, das auch zur Oberflächenbehandlung additiv gefertigter Teile eingesetzt wird60. Die Laserstrahlverfestigung ist jedoch am effektivsten bei Nanosekunden-Laserpulsen und mechanisch belasteten Oberflächen (z. B. mit einer Flüssigkeitsschicht)59, da die mechanische Belastung den Spitzendruck erhöht.
Es wurden Experimente durchgeführt, um die möglichen Auswirkungen verschiedener physikalischer Felder auf die Mikrostruktur erstarrter Materialien zu untersuchen. Das Funktionsdiagramm des Versuchsaufbaus ist in Abbildung 1 dargestellt. Ein gepulster Nd:YAG-Festkörperlaser im Freilaufmodus (Pulsdauer τ_L ~ 150µs) wurde verwendet. Jeder Laserpuls durchläuft eine Reihe von Neutraldichtefiltern und ein Strahlteilersystem. Abhängig von der Kombination der Neutraldichtefilter variiert die Pulsenergie am Target zwischen E_L ~ 20 mJ und E_L ~ 100 mJ. Der vom Strahlteiler reflektierte Laserstrahl wird einer Fotodiode zur simultanen Datenerfassung zugeführt. Zwei Kalorimeter (Fotodioden mit einer langen Ansprechzeit von über 1 ms) dienen zur Bestimmung der auf das Target einfallenden und reflektierten Strahlung. Zusätzlich werden zwei Leistungsmesser eingesetzt. (Fotodioden mit kurzen Ansprechzeiten < 10 ns) zur Bestimmung der einfallenden und reflektierten optischen Leistung. Kalorimeter und Leistungsmesser wurden mit einem Thermosäulendetektor Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 und einem am Probenort montierten dielektrischen Spiegel kalibriert, um Werte in absoluten Einheiten zu liefern. Der Strahl wird mit einer Linse (Antireflexbeschichtung bei 1,06 µm, Brennweite 160 mm) und einem Strahlradius von 60–100 µm auf das Target fokussiert.
Funktionsschema des Versuchsaufbaus: 1 – Laser; 2 – Laserstrahl; 3 – Neutraldichtefilter; 4 – Synchronfotodiode; 5 – Strahlteiler; 6 – Blende; 7 – Kalorimeter des einfallenden Strahls; 8 – Kalorimeter des reflektierten Strahls; 9 – Leistungsmesser des einfallenden Strahls; 10 – Leistungsmesser des reflektierten Strahls; 11 – Fokussierlinse; 12 – Spiegel; 13 – Probe; 14 – Breitband-Piezo-Wandler; 15 – 2D-Wandler; 16 – Positioniermikrocontroller; 17 – Synchronisationseinheit; 18 – Mehrkanal-Datenerfassungssystem mit verschiedenen Abtastraten; 19 – Personalcomputer.
Die Ultraschallbehandlung erfolgt wie folgt: Der Laser arbeitet im Freilaufmodus; die Dauer des Laserpulses beträgt daher \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), wobei er sich aus mehreren Teilpulsen von jeweils etwa \(1,5~\upmu \text {s }\) zusammensetzt. Die zeitliche Form des Laserpulses und sein Spektrum bestehen aus einer niederfrequenten Hüllkurve und einer hochfrequenten Modulation mit einer mittleren Frequenz von etwa \(0,7~\text {MHz}\), wie in Abbildung 2 dargestellt. Die Frequenzhüllkurve bewirkt die Erwärmung und das anschließende Schmelzen und Verdampfen des Materials, während die hochfrequente Komponente aufgrund des photoakustischen Effekts Ultraschallschwingungen erzeugt. Die Wellenform des vom Laser erzeugten Ultraschallpulses wird hauptsächlich durch den zeitlichen Verlauf der Laserpulsintensität bestimmt. Der Frequenzbereich liegt zwischen 7 kHz und 2 MHz, die Mittenfrequenz bei etwa 0,7 MHz. Akustische Pulse, die durch den photoakustischen Effekt entstehen, wurden mit breitbandigen piezoelektrischen Wandlern aus Polyvinylidenfluorid-Folien aufgezeichnet. Die aufgezeichnete Wellenform und ihr Spektrum sind in Abbildung 2 dargestellt. Die Form der Laserpulse ist typisch für einen Laser im Freilaufmodus.
Zeitliche Verteilung der Laserpulsintensität (a) und der Schallgeschwindigkeit an der Rückseite der Probe (b), Spektren des Laserpulses (c) und des Ultraschallpulses (d), gemittelt über 300 Laserpulse (rote Kurve) für einen einzelnen Laserpuls (blaue Kurve).
Die niederfrequenten und hochfrequenten Komponenten der akustischen Behandlung, die der niederfrequenten Einhüllenden des Laserpulses bzw. der hochfrequenten Modulation entsprechen, lassen sich deutlich unterscheiden. Die Wellenlängen der durch die Laserpulseinhüllende erzeugten akustischen Wellen überschreiten \(40~\text {cm}\); daher ist zu erwarten, dass die breitbandigen hochfrequenten Komponenten des akustischen Signals einen wesentlichen Einfluss auf die Mikrostruktur ausüben.
Die physikalischen Prozesse beim selektiven Laserschmelzen (SLM) sind komplex und laufen gleichzeitig auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen ab. Daher eignen sich Multiskalenmethoden am besten für die theoretische Analyse von SLM. Mathematische Modelle sollten von vornherein multiphysikalische Aspekte berücksichtigen. So lassen sich die Mechanik und Thermophysik eines Mehrphasenmediums („Fest-Flüssig-Schmelze“), das mit einer Inertgasatmosphäre interagiert, effektiv beschreiben. Die Charakteristika der thermischen Belastungen des Materials beim SLM sind wie folgt.
Aufheiz- und Abkühlraten bis zu \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ aufgrund lokalisierter Laserbestrahlung mit Leistungsdichten bis zu \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Der Schmelz-Erstarrungs-Zyklus dauert zwischen 1 und \(10~\text {ms}\), was zur schnellen Erstarrung der Schmelzzone während der Abkühlung beiträgt.
Die rasche Erhitzung der Probenoberfläche führt zur Ausbildung hoher thermoelastischer Spannungen in der Oberflächenschicht. Ein ausreichender Anteil (bis zu 20 %) der Pulverschicht verdampft stark⁶³, was infolge der Laserablation eine zusätzliche Druckbelastung der Oberfläche zur Folge hat. Die dadurch induzierte Dehnung verzerrt die Bauteilgeometrie erheblich, insbesondere in der Nähe von Stützen und dünnen Strukturelementen. Die hohe Aufheizrate beim gepulsten Laserglühen erzeugt Ultraschall-Dehnungswellen, die sich von der Oberfläche zum Substrat ausbreiten. Um genaue quantitative Daten zur lokalen Spannungs- und Dehnungsverteilung zu erhalten, wird eine mesoskopische Simulation des Problems der elastischen Verformung in Verbindung mit Wärme- und Stofftransport durchgeführt.
Die grundlegenden Gleichungen des Modells umfassen (1) instationäre Wärmetransportgleichungen, wobei die Wärmeleitfähigkeit vom Aggregatzustand (Pulver, Schmelze, polykristallin) und der Temperatur abhängt, und (2) Schwankungen der elastischen Verformung nach Kontinuumsablation sowie die thermoelastische Ausdehnungsgleichung. Das Randwertproblem wird durch die experimentellen Bedingungen bestimmt. Der modulierte Laserfluss wird auf der Probenoberfläche definiert. Die konvektive Kühlung umfasst Wärmeleitung und Verdampfungsfluss. Der Massenstrom wird auf Basis der Berechnung des Sättigungsdampfdrucks des verdampfenden Materials definiert. Es wird die elastoplastische Spannungs-Dehnungs-Beziehung verwendet, wobei die thermoelastische Spannung proportional zur Temperaturdifferenz ist. Die Berechnungen gelten für eine Nennleistung von 300 W, eine Frequenz von 10⁵ Hz, einen Intermittenzkoeffizienten von 100 und einen effektiven Strahldurchmesser von 200 µm.
Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse der numerischen Simulation der Schmelzzone mithilfe eines makroskopischen mathematischen Modells. Der Durchmesser der Schmelzzone beträgt 200µm (Radius: 100µm), die Tiefe 40µm. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Oberflächentemperatur aufgrund des hohen Intermittenzfaktors der Pulsmodulation lokal mit der Zeit um 100µK variiert. Die Heiz- und Kühlraten V_h liegen in der Größenordnung von 10⁷ bzw. 10⁶ K/s. Diese Werte stimmen gut mit unserer vorherigen Analyse⁶⁴ überein. Ein Unterschied von einer Größenordnung zwischen V_h und V_c führt zu einer schnellen Überhitzung der Oberflächenschicht, wo Wärme zum Substrat abgeleitet wird. Die Wärmeabfuhr ist unzureichend. Daher erreicht die Oberflächentemperatur bei \(t=26~\upmu \text {s}\) einen Spitzenwert von \(4800~\text {K}\). Eine starke Verdampfung des Materials kann zu übermäßigem Druck auf die Probenoberfläche und zum Ablösen des Materials führen.
Ergebnisse der numerischen Simulation der Schmelzzone beim Glühen einer 316L-Probenplatte mit einem einzelnen Laserpuls. Die Zeit vom Pulsbeginn bis zum Erreichen der maximalen Schmelztiefe beträgt 180µs. Die Isotherme T = T_L = 1723 K markiert die Grenze zwischen flüssiger und fester Phase. Die Isobaren (gelbe Linien) entsprechen der im nächsten Abschnitt berechneten Fließspannung in Abhängigkeit von der Temperatur. Im Bereich zwischen den beiden Isolinien (Isotherme T = T_L und Isobare σ = σ_V(T)) ist die feste Phase starken mechanischen Belastungen ausgesetzt, die zu Veränderungen im Mikrogefüge führen können.
Dieser Effekt wird in Abbildung 4a weiter erläutert, in der der Druckpegel in der Schmelzzone als Funktion der Zeit und des Abstands von der Oberfläche dargestellt ist. Erstens hängt das Druckverhalten mit der in Abbildung 2 beschriebenen Modulation der Laserpulsintensität zusammen. Ein maximaler Druck von etwa 10 MPa wurde bei etwa t = 26 µm beobachtet. Zweitens weist die Schwankung des lokalen Drucks am Kontrollpunkt die gleichen Schwingungseigenschaften wie die Frequenz von 500 kHz auf. Dies bedeutet, dass an der Oberfläche Ultraschall-Druckwellen erzeugt werden, die sich anschließend in das Substrat ausbreiten.
Die berechneten Eigenschaften der Deformationszone nahe der Schmelzzone sind in Abb. 4b dargestellt. Laserablation und thermoelastische Spannungen erzeugen elastische Deformationswellen, die sich im Substrat ausbreiten. Wie aus der Abbildung ersichtlich, treten zwei Phasen der Spannungserzeugung auf. In der ersten Phase (t < 40µs) steigt die Mises-Spannung auf 8µPa an, wobei die Modulation der des Oberflächendrucks ähnelt. Diese Spannung entsteht durch Laserablation; thermoelastische Spannungen wurden an den Kontrollpunkten nicht beobachtet, da die anfängliche Wärmeeinflusszone zu klein war. Mit der Wärmeableitung im Substrat erzeugt der Kontrollpunkt eine hohe thermoelastische Spannung von über 40µPa.
Die erzielten modulierten Spannungsniveaus haben einen signifikanten Einfluss auf die Fest-Flüssig-Grenzfläche und könnten den Erstarrungsprozess steuern. Die Deformationszone ist 2- bis 3-mal größer als die Schmelzzone. Abbildung 3 zeigt den Vergleich der Lage der Schmelzisotherme und des Spannungsniveaus entsprechend der Streckgrenze. Dies bedeutet, dass die gepulste Laserbestrahlung hohe mechanische Belastungen in lokalisierten Bereichen mit einem effektiven Durchmesser zwischen 300 und 800 µm erzeugt, abhängig vom jeweiligen Zeitpunkt.
Die komplexe Modulation des gepulsten Laserglühens führt daher zum Ultraschalleffekt. Der Weg der Mikrostrukturselektion unterscheidet sich vom SLM-Verfahren ohne Ultraschallbelastung. Verformte, instabile Bereiche führen zu periodischen Kompressions- und Dehnungszyklen in der festen Phase. Dadurch wird die Bildung neuer Korngrenzen und Subkorngrenzen ermöglicht. Somit lassen sich die mikrostrukturellen Eigenschaften gezielt verändern, wie nachfolgend gezeigt wird. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen die Entwicklung eines Prototyps für ein pulsmodulationsinduziertes, ultraschallgetriebenes SLM. In diesem Fall kann auf den andernorts verwendeten piezoelektrischen Induktor 26 verzichtet werden.
(a) Druck als Funktion der Zeit, berechnet in verschiedenen Abständen von der Oberfläche 0, 20 und \(40~\upmu \text {m}\) entlang der Symmetrieachse. (b) Zeitabhängige Von-Mises-Spannung, berechnet in einer festen Matrix in Abständen von 70, 120 und \(170~\upmu \text {m}\) von der Probenoberfläche.
Es wurden Experimente an Platten aus Edelstahl AISI 321H mit den Abmessungen \(20\× 20\× 5~\text {mm}\) durchgeführt. Nach jedem Laserpuls bewegte sich die Platte um \(50~\upµm\text {m}\), und der Laserstrahlradius auf der Zieloberfläche betrug etwa \(100~\upµm\text {m}\). Bis zu fünf aufeinanderfolgende Laserdurchgänge entlang derselben Bahn wurden durchgeführt, um das bearbeitete Material zur Kornfeinung erneut aufzuschmelzen. In allen Fällen wurde die aufgeschmolzene Zone, abhängig von der oszillatorischen Komponente der Laserstrahlung, mit Ultraschall behandelt. Dies führte zu einer mehr als fünffachen Reduzierung der durchschnittlichen Korngröße. Abbildung 5 zeigt, wie sich die Mikrostruktur der lasergeschmolzenen Zone mit der Anzahl der aufeinanderfolgenden Aufschmelzzyklen (Durchgänge) verändert.
Teilabbildungen (a, d, g, j) und (b, e, h, k) – Mikrostruktur lasergeschmolzener Bereiche; Teilabbildungen (c, f, i, l) – Flächenverteilung der farbigen Körner. Die Schattierung stellt die zur Berechnung des Histogramms verwendeten Partikel dar. Die Farben entsprechen den Kornbereichen (siehe Farbskala am oberen Rand des Histogramms). Teilabbildung (ac) zeigt unbehandelten Edelstahl, die Teilabbildungen (df), (gi) und (jl) zeigen 1, 3 bzw. 5 Umschmelzvorgänge.
Da sich die Laserpulsenergie zwischen den Durchgängen nicht ändert, ist die Tiefe der Schmelzzone gleich. Daher deckt der nachfolgende Kanal den vorherigen vollständig ab. Das Histogramm zeigt jedoch, dass die mittlere und die Median-Kornfläche mit zunehmender Anzahl der Durchgänge abnehmen. Dies könnte darauf hindeuten, dass der Laser eher auf das Substrat als auf die Schmelze einwirkt.
Eine Kornfeinung kann durch schnelles Abkühlen des Schmelzbades verursacht werden.⁶⁵ In einer weiteren Versuchsreihe wurden die Oberflächen von Edelstahlplatten (321H und 316L) in Atmosphäre (Abb. 6) und im Vakuum (Abb. 7) mit kontinuierlichem Laserlicht bestrahlt. Die mittlere Laserleistung (300 W bzw. 100 W) und die Schmelzbadtiefe entsprechen in etwa den experimentellen Ergebnissen des Nd:YAG-Lasers im Freilaufbetrieb. Es wurde jedoch eine typische Säulenstruktur beobachtet.
Mikrostruktur der lasergeschmolzenen Zone eines Dauerstrichlasers (300 W konstante Leistung, 200 mm/s Scangeschwindigkeit, Edelstahl AISI 321H).
(a) Mikrostruktur und (b) Elektronenrückstreubeugungsbilder des lasergeschmolzenen Bereichs im Vakuum mit einem Dauerstrichlaser (100 W konstante Leistung, 200 mm/s Scangeschwindigkeit, Edelstahl AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Es zeigt sich deutlich, dass die komplexe Modulation der Laserpulsintensität einen signifikanten Einfluss auf die resultierende Mikrostruktur hat. Wir gehen davon aus, dass dieser Effekt mechanischer Natur ist und durch die Erzeugung von Ultraschallschwingungen entsteht, die sich von der bestrahlten Schmelzoberfläche tief in die Probe ausbreiten. Ähnliche Ergebnisse wurden in [13, 26, 34, 66, 67] mit externen piezoelektrischen Wandlern und Sonotroden erzielt, die hochintensiven Ultraschall in verschiedenen Materialien, darunter der Ti-6Al-4V-Legierung [26] und Edelstahl [34], erzeugten. Der mögliche Mechanismus wird wie folgt vermutet: Intensiver Ultraschall kann akustische Kavitation verursachen, wie ultraschnelle In-situ-Synchrotron-Röntgenbildgebung gezeigt hat. Der Kollaps der Kavitationsblasen erzeugt wiederum Stoßwellen im geschmolzenen Material, deren Frontdruck etwa 100 MPa erreicht [69]. Solche Stoßwellen können stark genug sein, um die Bildung von kritisch großen Festphasenkeimen in der Schmelze zu fördern und die typische Kristallisation zu stören. Säulenförmige Kornstruktur bei der schichtweisen additiven Fertigung.
Hier schlagen wir einen weiteren Mechanismus vor, der für die Strukturmodifikation durch intensive Beschallung verantwortlich ist. Unmittelbar nach der Erstarrung weist das Material eine hohe Temperatur nahe dem Schmelzpunkt und eine extrem niedrige Streckgrenze auf. Intensive Ultraschallwellen können plastisches Fließen verursachen und so die Kornstruktur des heißen, gerade erstarrten Materials verändern. Zuverlässige experimentelle Daten zur Temperaturabhängigkeit der Streckgrenze liegen jedoch erst bei \(T\lesssim 1150~\text {K}\) vor (siehe Abbildung 8). Um diese Hypothese zu überprüfen, führten wir Molekulardynamik-Simulationen (MD) einer Fe-Cr-Ni-Zusammensetzung ähnlich dem Stahl AISI 316L durch, um das Verhalten der Streckgrenze nahe dem Schmelzpunkt zu untersuchen. Zur Berechnung der Streckgrenze verwendeten wir die in [70, 71, 72, 73] detailliert beschriebene MD-Scherspannungsrelaxationsmethode. Für die Berechnungen der interatomaren Wechselwirkungen nutzten wir das Embedded Atomic Model (EAM) aus [74]. Die MD-Simulationen wurden mit den LAMMPS-Codes [75, 76] durchgeführt. Details zu den MD-Simulationen werden veröffentlicht. Die Ergebnisse der MD-Berechnung der Fließspannung als Funktion der Temperatur sind in Abb. 8 zusammen mit verfügbaren experimentellen Daten und anderen Auswertungen dargestellt.77,78,79,80,81,82
Streckgrenze für austenitischen Edelstahl AISI 316 und Modellzusammensetzung in Abhängigkeit von der Temperatur für MD-Simulationen. Experimentelle Messungen aus den Referenzen: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. (f) 82 ist ein empirisches Modell der Streckgrenzen-Temperatur-Abhängigkeit für die Inline-Spannungsmessung während der lasergestützten additiven Fertigung. Die Ergebnisse der großskaligen MD-Simulationen dieser Studie werden als \(\vartriangleleft\) für einen fehlerfreien, unendlich ausgedehnten Einkristall und als \(\vartriangleright\) für endliche Körner unter Berücksichtigung der mittleren Korngröße über die Hall-Petch-Beziehung (Abmessungen d = 50~\upmu \text {m}\) bezeichnet.
Es zeigt sich, dass bei \(T>1500~\text {K}\) die Streckgrenze unter \(40~\text {MPa}\) sinkt. Andererseits sagen Schätzungen voraus, dass die lasererzeugte Ultraschallamplitude \(40~\text {MPa}\) übersteigt (siehe Abb. 4b), was ausreicht, um plastisches Fließen im gerade erstarrten, heißen Material auszulösen.
Die Mikrostrukturbildung des austenitischen Edelstahls 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) während des SLM-Prozesses wurde experimentell mit Hilfe einer komplexen intensitätsmodulierten gepulsten Laserquelle untersucht.
Eine Verringerung der Korngröße in der Laserschmelzzone wurde aufgrund des kontinuierlichen Laserumschmelzens nach 1, 3 oder 5 Durchgängen festgestellt.
Die makroskopische Modellierung zeigt, dass die geschätzte Größe des Bereichs, in dem die Ultraschallverformung die Erstarrungsfront positiv beeinflussen kann, bis zu \(1~\text {mm}\) beträgt.
Das mikroskopische MD-Modell zeigt, dass die Streckgrenze des austenitischen Edelstahls AISI 316 in der Nähe des Schmelzpunktes deutlich auf \(40~\text {MPa}\) reduziert ist.
Die erzielten Ergebnisse legen eine Methode zur Steuerung der Mikrostruktur von Materialien mittels komplexer modulierter Laserbearbeitung nahe und könnten als Grundlage für die Entwicklung neuer Modifikationen der gepulsten SLM-Technik dienen.
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