Vooruitgang in Laser-Poeder Bed Fusie: een onderzoek naar machine, proces en in-situ monitoringtechnologie

In dit proefschrift worden recente vorderingen in de Laser Poeder Bed Fusie (L-PBF) technologie besproken. L-PBF is een additieve vervaardigings technologie, waarbij componenten worden gefabriceerd door toevoeging van materiaal in tegenstelling tot materiaal verwijdering zoals gebruikelijk is bij meer traditionele substractieve productie methoden. In L-PBF worden metalen componenten vervaardigd uit een metaalpoeder dat in lagen wordt gedeponeerd en lokaal wordt gesmolten door een laserbron en een x-y-spiegelsysteem. Hierdoor kunnen componenten met een hoge mate aan ontwerp vrijheid worden geproduceerd met weinig tot geen impact op de kost. Dit maakt dat L-PBF ideaal is voor zeer complexe, kleine serie producties of zeer individualiseerbare componenten en heeft er toe geleid dat L-PBF in veeleisende sectoren zoals de geneeskunde, de lucht- en ruimtevaart en de olie- & gasindustrie zijn intrede maakt.

In dit proefschrift wordt een nieuwe benadering voorgesteld van enkele van de resterende technologische uitdagingen waarmee L-PBF wordt geconfronteerd. In deze benadering staat een "machine eerst" perspectief centraal, met speciale aandacht voor het ontwerp en de analyse van de optische trein, en de bijhorende complexe machine/proces interacties. Door nieuwe ontwerpen te introduceren, maar ook door slimme recombinatie van verschillende technologieën en methodologieën, worden vorderingen gerealiseerd in de productie en de in-situ kwaliteitscontrole van L-PBF.

In eerste instantie wordt de holistische ontwerpbenadering van de optische trein besproken samen met een ondersteunend x-y-scannerprotocol. Het holistische ontwerp omvat het "reverse engineering" van gesloten optische componenten zoals f-theta-lenzen en kwantificering van hun spectrale eigenschappen. De resulterende optische trein is de basis waarop de daaropvolgende resultaten zijn gebouwd, waarbij elk onderwerp een directe link heeft met de optische trein verbindt. Dit wordt vervolgt door een discussie over de vorderingen in de L-PBF produtie stap. Waar het dynamisch gedrag en de invloed van het thermisch lenzen wordt besproken en een compenserende methodologie wordt gepresenteerd. Hierna wordt het gedrag en de eigenschappen van puur koper, geproduceerd door L-PBF besproken. Daarbij wordt het mechanisme verduidelijkt waarmee sterk reflecterende materialen zoals zuiver koper (> 90% reflectie) kunnen worden verwerkt met behulp van conventionele "fiber laser" technologie. Componenten met een relatieve dichtheid van 99,3% werden vervaardigd en een analytisch smeltbad model wordt gevalideerd en toegepast om het verwerkingsgedrag van puur koper te verklaren. Het laatste deel van dit proefschrift presenteert enkele resultaten over in-situ kwaliteitscontrole. Kwaliteitscontrole is een van de grootste uitdagingen voor L-PBF, aangezien componenten vaak worden gebruikt voor veeleisende toepassingen. Dit betekent dat er doorgaans strenge veiligheids- en certificeringseisen aanwezig zijn en dat er doorgaans uitgebreide methoden voor kwaliteitscontrole na het proces vereist zijn. In-situ proces inspectie heeft tot doel de kwaliteitscontrole te verschuiven naar een online systeem, waardoor tijd en middelen worden bespaard. In het licht hiervan wordt een nieuwe virtuele detectiebenadering gepresenteerd, die in staat is om de smeltbad-diepten nauwkeurig te voorspellen op basis van coaxiale camerabeelden (2,8 % fout - optimale parameter bereik). Om dit te bereiken, wordt de breedte van het smeltbad uit de camera beelden gehaald en wordt een op fysica gebaseerd analytisch model gebruikt om de diepte-breedteverhouding van het smeltbad te berekenen uit de verwerkingsomstandigheden en materiaaleigenschappen. Beide worden gecombineerd om de diepte van het smeltbad te voorspellen. In een tweede benadering van in-situ kwaliteitscontrole wordt een spat detectie algoritme toegepast op de coaxiale camera beelden en wordt een correlatie gevonden tussen het smeltbad spatten en het optreden van "keyhole" porositeit. Deze resultaten zijn gevalideerd met behulp van zowel X-CT-metingen als hoog nauwkeurige physische modellering.