Der Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) Konstruktionsleitfaden
Laser-Pulver-Bett-Fusion (LPBF) ist eine additive Fertigungstechnologie, mit der komplexe Metallteile hergestellt werden. Dieser Leitfaden richtet sich an Anfänger, die Hilfe bei der Konstruktion eines Bauteils suchen, und an erfahrene Konstrukteure, die nach Tipps zur Verbesserung des Konstruktionsprozesses suchen.
In diesem Leitfaden zu L-PBF erfahren Sie mehr über:
- Planung von Unterstützungsstrukturen
- Auswahl der richtigen Bauausrichtung
- Effektives Drucken von Löchern
- Allgemeine Gestaltungshinweise
Das Laser-Pulverbett-Schmelzverfahren
L-PBFauch bekannt als selektives Laserschmelzen (SLM) oder direktes Metall-Lasersintern (DMLS), ist ein laserbasiertes Verfahren, bei dem Metallpulverpartikel auf eine Bauplatte geschmolzen werden. Dieser Prozess erfolgt schichtweise, wobei jede Schicht normalerweise zwischen 20 und 80 um dick ist. Das Pulver wird mit einem Rechen aus einem Lager auf das Pulverbett aufgetragen. Das additive Designverfahren ermöglicht es Ingenieuren, komplizierte Formen und Produktionsteile zu entwerfen und gleichzeitig Gewicht und Materialverbrauch zu reduzieren.
Wie LPBF funktioniert
Dies ist nur eine kleine Erinnerung daran, dass jedes Produktionsverfahren, ob additiv, subtraktiv oder formgebend, seine Grenzen hat und berücksichtigt werden muss. Das computergestützte Design (CAD) spielt eine entscheidende Rolle bei der Steuerung des LPBF-Prozesses und ermöglicht die Erstellung komplexer Geometrien, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nur schwer zu erreichen sind. Während einige Technologien neu sein mag, ist die Gestaltung für ein bestimmtes Herstellungsverfahren, wie das Auftragen von Pulvermaterial in einer dünnen Schicht, kein neues Konzept. Design ist immer mit dem Herstellungsprozess verbunden.
Starten Sie Ihr Fertigungsprojekt mit MakerVerse
MakerVerse ist Ihre Plattform für die Beschaffung von Industrieteilen und bietet sofortigen Zugang zu einer geprüften Lieferkette und einer breiten Palette von Fertigungstechnologien. Mit KI-gestützter Angebotserstellung, Auftragsverwaltung und -abwicklung hilft MakerVerse bei allem, vom ersten Prototyp bis zur Serienfertigung.
Entwurf von Stützstrukturen
Während des Entwurfsprozesses muss die Unterstützung berücksichtigt werden. Die Wahl des Pulvermaterials ist entscheidend für die Stabilität und Qualität der Stützstrukturen während des LPBF-Prozesses. Bei additiven Fertigungstechnologien für Metalle wie L-PBF haben die Stützstrukturen wichtige Funktionen:
Abstützung von Teilen bei Überhang
Befestigung und Verstärkung des Teils an der Plattform
Ableitung überschüssiger Wärme vom Teil weg
Verhinderung von Verformungen
Verhinderung des Absinkens des Schmelzbades in das lose Metallpulver
Widerstandsfähigkeit gegen die mechanische Kraft des Pulverausbreitungsmechanismus des Teils
Verhinderung eines kompletten Fehlschlags bei der Erstellung, der aus einer der oben genannten Situationen resultiert
Die Auswirkungen der Nichtauslegung von Stützen in bestimmten Winkeln
Es ist wichtig, die richtigen Stützen zu entwerfen. Hier sind einige weitere wichtige Überlegungen zu L-PBF.
Der am Laserpunkt geschmolzene Bereich kühlt sehr schnell ab, wodurch Spannungen entstehen, die das Material nach oben wölben können. Manchmal kann diese Spannung stark genug sein, um das Teil von seiner Halterung zu lösen oder es ganz zu spalten. Um dies zu verhindern, können Stützen auf der Bauplatte verankert werden.
Die Erstarrung eines Teils kann nicht in der Mitte des Pulverbetts beginnen. Es muss direkt oder über eine Stütze mit der Bauplatte verbunden sein.
Jeder Bereich des Teils, der der Bauplatte zugewandt ist und einen Winkel von weniger als 45° aufweist, muss unterstützt werden.
LPBF Druckausrichtung
Ein erfolgreiches Design eines Teils für die additive Fertigung ist nur möglich, wenn man die Druckausrichtung berücksichtigt. Die Qualität eines jeden Teils (z. B. Festigkeit, Materialeigenschaften, Oberflächenqualität, Umfang der Unterstützung usw.) hängt von der Druckausrichtung ab.
Obwohl das Trägermaterial für den Erfolg eines Entwurfs und des Druckverfahrens unerlässlich ist, sollte es auf das Notwendige beschränkt werden. Die Platzierung und Menge des Trägermaterials beeinflussen Teilqualität, Produktionszeit und Nachbearbeitungskosten.
Die Ausrichtung kann sich auch auf die Oberflächenbeschaffenheit des Teils auswirken, insbesondere wenn das Teil abgerundete Merkmale aufweist. Die Nichtberücksichtigung der Ausrichtung kann den Treppeneffekt verursachen. Dieses Phänomen, das bei verschiedenen additiven Fertigungstechnologien auftritt, führt dazu, dass jede gedruckte Schicht sichtbar wird. Anstelle der erwarteten glatten Oberfläche ähnelt die beschädigte Oberfläche einer Treppe.
Der Treppeneffekt
Effektives Drucken von Löchern
Es ist am besten, Löcher vertikal mit ihrer Achse zu drucken, wenn ihre Rundheit für das Teil entscheidend ist. Das vertikale Drucken von Löchern gewährleistet, dass jede dünne Schicht genau geformt wird und die Rundheit und Integrität des Lochs erhalten bleibt.
Bei horizontal gedruckten Löchern tritt der Treppeneffekt auf und sie werden leicht elliptisch. Löcher mit einem Durchmesser von bis zu 8 mm können horizontal ohne zusätzliche Stützen hergestellt werden. Größere Löcher benötigen Stützen, wobei dieser Durchmesser je nach Maschine und Material variiert.
Wenn Sie die Notwendigkeit von Stützkonstruktionen in den Löchern vermeiden möchten, beachten Sie diese Richtlinien:
Elliptische Löcher, wenn die Höhe der Ellipse das Doppelte der Breite beträgt. Sie können bis zu 25 mm hoch sein.
Tropfenförmige Löcher können fast jeden Durchmesser haben, wenn der obere Winkel nicht kleiner ist als der Mindeststützwinkel (45°).
Rautenförmige Löcher können fast jede Größe haben, aber es ist am besten, die Ecken zu verrunden, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden.
Design-Tipps
Alle Ecken filetieren. Es ist allgemein üblich, bei der Konstruktion eines Teils alle scharfen Kanten zu verrunden oder abzurunden. Hierfür gibt es zwei Gründe.
Die Auswahl des geeigneten Pulvermaterials ist entscheidend für das Erreichen der gewünschten mechanischen Eigenschaften und der Oberflächenbeschaffenheit des Endprodukts.
Der erste Grund ist die Sicherheit. Der Gegenstand lässt sich leichter halten oder benutzen, wenn die äußeren Ecken abgerundet sind. Weniger scharfe Kanten bedeuten weniger Gefahren bei der Handhabung scharfer Kanten. Der zweite Grund ist die Gewährleistung der Festigkeit des Objekts. Das Abrunden von Innenecken verringert Spannungskonzentrationen, die die Gesamtfestigkeit des Objekts beeinträchtigen könnten. Als Faustregel gilt, dass die Verrundung ¼ der Wanddicke des Objekts (z. B. Rippen oder Stifte) betragen sollte.
Druckfreigabelöcher für hohle Strukturen. Wenn Ihr Teil einen hohlen Bereich hat, sollten Sie Löcher vorsehen, durch die das Pulver aus dem Inneren entweichen kann. Um das Pulver leicht zu entfernen, sollten mindestens zwei Austrittslöcher pro Hohlraum vorhanden sein.
Halten Sie die Wandstärke konstant. Die Konstruktion eines Teils, das von dünnen Strukturen zu massiven Blöcken übergeht, erzeugt zusätzliche Spannungen, die das Risiko von Verzug und Biegung erhöhen.
Nächste Schritte
Jeder gute L-PBF-Entwurf enthält diese drei Elemente:
Verwendung der geringsten erforderlichen Menge an Metallpulvern, wodurch die Druckzeit und die Kosten reduziert werden
Berücksichtigung der Druckausrichtung
Gestaltung geeigneter Stützen
Einsatz von computergestütztem Design (CAD) zur Optimierung der Geometrie und Funktionalität des Teils
Mit diesen vier Elementen kann Ihr LPBF-Teil von einer Idee zu einem vollständigen, fertigen und funktionalen Teil werden
