Improvement of Part Accuracy by Combination of Pulsed Wave (PW) and Continuous Wave (CW) Laser Powder Bed Fusion

Abstract

In this paper, a processing strategy is investigated to increase the geometric accuracy of parts fabricated by laser powder bed fusion (LPBF). Pulsed wave emission (pw) is used for contour exposure in combination with a continuous wave (cw) emission for bulk volume exposure. With the goal of discrete solidification of adjacent melt pools, process parameters of laser power PL, scanning speed vs, and relative pulse overlap ∆xo are developed for contour exposure. Samples with variable contour angles are fabricated to investigate the effect of the pw contour exposure on excessive melting in critical areas of the part prone to overheating. Geometric accuracy and surface roughness are evaluated using SEM images of surface topography and optical surface roughness measurements, respectively. It is observed that excessive melting can be suppressed by using pw contour exposure and usage of modified process parameters. Due to the discretized energy input in pw emission mode, smaller melt pools with lower melt pool fluctuation and powder erosion are produced. The maximum applicable scanning speed is limited by the solidification time of the melt pool and is significantly lower compared to conventional cw contour exposure parameters. Therefore, a combination of cw volume exposure with high process productivity and pw contour exposure for high geometric accuracy is beneficial to limit productivity losses and increase accuracy in part building.In diesem Beitrag wird eine Bearbeitungsstrategie zur Erhöhung der geometrischen Genauigkeit von mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF) hergestellten Bauteilen untersucht. Dabei wird eine gepulst-modulierte Belichtung (engl. pulsed wave -pw) für die Bauteilkontur in Kombination mit einer kontinuierlichen Belichtung (engl. continuous wave -cw) für die Fertigung des Bauteilvolumens eingesetzt. Mit dem Ziel der diskreten Erstarrung benachbarter Schmelzbäder werden die Bearbeitungsparameter Laserleistung PL, Scangeschwindigkeit vs, Pulsfrequenz fp und relative Pulsüberlappung ∆xo für die Konturbelichtung variiert. Proben mit variablen Konturwinkeln werden gefertigt, um den Einfluss der pw-Konturbelichtung auf die Schmelzbadvergrößerung durch Wärmestauung in kritischen, überhitzungsgefährdeten Bauteilbereichen zu untersuchen. Die geometrische Genauigkeit und die Oberflächenrauheit werden durch REM-Aufnahmen der Oberflächentopographie bzw. durch optische Messung der Oberflächenrauheit bewertet. Es wird beobachtet, dass eine Schmelzbadvergrößerung durch den Einsatz der pw-Konturbelichtung und die Verwendung der gewählten Bearbeitungsparameter unterdrückt werden kann, falls die Schmelzbäder der Bauteilkontur diskret erstarren. Aufgrund des diskretisierten Energieeintrags im pw-Emissionsmodus entstehen kleinere Schmelzbäder mit einer geringeren Schmelzbadfluktuation und Pulververarmung. Die maximal mögliche Scangeschwindigkeit für diskret erstarrende Schmelzbäder wird durch die Erstarrungszeit eines Schmelzbades begrenzt und ist im Vergleich zu konventionellen cw-Konturbelichtungsparametern deutlich geringer. Daher ist eine Kombination aus cw-Volumenbelichtung mit hoher Produktivität und pw-Konturbelichtung mit hoher geometrischer Genauigkeit vorteilhaft, um Produktivitätsverluste zu begrenzen und die Bauteilgenauigkeit zu erhöhen.