Island Interface Porosity in PBF-LB 316L: Effects of Island Overlap and Interlayer Shift in Chessboard Scanning

In de wereld van de moderne productie bestaat er een techniek die laag voor laag solide metalen objecten bouwt, rechtstreeks vanuit een digitaal ontwerp, zonder de noodzaak van mallen of zware snijgereedschappen. Dit proces, bekend als powder bed fusion, werkt door een dunne laag fijn metaalpoeder over een platform te verspreiden en vervolgens een krachtige laser te gebruiken om specifieke punten te smelten, waardoor het poeder tot een solide vorm wordt samengesmolten. Terwijl de laser beweegt, volgt hij de geometrie van het onderdeel, en zodra een laag voltooid is, daalt het platform een klein stukje, wordt er een nieuwe laag poeder verspreid, en herhaalt het proces zich totdat het object is afgewerkt. Hoewel deze methode ingenieurs in staat stelt om ongelooflijk complexe vormen te creëren die op geen enkele andere manier gemaakt zouden kunnen worden, zijn de resulterende onderdelen niet altijd perfect. De snelle verhitting en afkoeling die inherent zijn aan het proces kunnen kleine, onzichtbare gaatjes achterlaten, genaamd poriën. Deze holtes zijn een serieus probleem omdat ze het metaal verzwakken, waardoor het eerder kan scheuren of falen onder spanning, wat een kritiek punt van zorg is voor industrieën zoals de luchtvaart en de geneeskunde, waar veiligheid essentieel is.

Om de intense hitte die tijdens het printen vrijkomt te beheersen, gebruiken fabrikanten vaak een strategie genaamd chessboard scanning (schaakbordscannen). In plaats van de laser één lange, continue lijn over het hele onderdeel te laten tekenen, verdeelt de software het oppervlak in een raster van kleine vierkantjes, of eilanden. De laser vult één vierkant, springt dan naar een ander, en wisselt van richting om te voorkomen dat de hitte zich op één plek opbouwt. Deze aanpak creëert echter nieuwe grenzen waar deze vierkanten elkaar ontmoeten. Als de laser niet genoeg poeder bij deze randen smelt, fuseren de vierkanten niet goed, waardoor er een lijn van zwakke plekken en gaatjes ontstaat precies daar waar de eilanden elkaar raken. Jarenlang hebben ingenieurs geprobeerd dit op te lossen door het rasterpatroon tussen elke nieuwe laag licht te verschuiven, in de hoop dat de nieuwe laag over de gaten van de vorige laag zou smelten. Maar een recente studie suggereert dat dit verschuiven alleen niet het volledige antwoord is, en dat een andere aanpassing—hoeveel de laser de randen van de vierkanten binnen hetzelfde laag overlapt—een veel crucialere rol speelt.

Onderzoekers aan de Federal University of Technology in Paraná en Alkimat Tecnologia zetten zich in om precies te onderzoeken hoe deze twee factoren interageren bij het printen van roestvrij staal. Ze richtten zich op een specifiek type staal, AISI 316L, dat veel wordt gebruikt vanwege de sterkte en weerstand tegen roest. Met een machine uitgerust met een 200-watt laser printten zij kleine kubussen van metaal, waarbij zij twee specifieke instellingen varieerden om te zien hoe deze het aantal gaatjes in het materiaal beïnvloedden. De eerste instelling was de "island shift" (eilandverschuiving), waarbij zij het gehele rasterpatroon tussen de lagen met één millimeter verschoven. De tweede instelling was de "island overlap" (eilandoverlap), die bepaalde hoeveel de laserpad zich uitstrekt in het naburige vierkant terwijl er nog steeds het huidige vierkant wordt geprint. In simpelere termen testten zij of het louter verschuiven van het patroon omhoog en omlaag voldoende was om de gaten te dichten, of dat ze de laser doelbewust meer over de randen van de vierkanten moesten laten lopen om een solide verbinding te garanderen.

Het team printte tientallen monsters en mat de interne structuur van elk exemplaar zorgvuldig door ze open te snijden en de dwarsdoorsneden onder een microscoop te bestuderen. Zij ontdekten dat het simpelweg verschuiven van het raster tussen de lagen, een gangbare praktijk in de industrie, heel weinig effect had op het oplossen van de gaatjes als de overlap tussen de vierkanten te klein was. Wanneer zij een standaard, minimale overlap gebruikten, voorkwam het verschuiven de vorming van defecten door gebrek aan fusie bij de grenzen van de eilanden niet. De gaatjes bleven geconcentreerd in een lijn, precies daar waar de vierkanten elkaar ontmoetten, ongeacht hoe de lagen werden verschoven. Deze bevinding daagde de aanname uit dat het verschuiven van het patroon alleen een voldoende oplossing was voor deze specifieke defecten.

Echter, toen de onderzoekers de hoeveelheid overlap vergrootten, veranderden de resultaten drastisch. Door de laser zo aan te passen dat deze verder in de naburige vierkanten traceerde, dwongen zij het metaal om de grenzen grondiger te smelten en te fuseren. Naarmate zij deze overlap vergrootten, verdween de concentratie van gaatjes bij de interfaces van de eilanden. De meest significante verbetering trad op toen zij de overlap instelden op 135 procent, een instelling waarbij de laserpad ver buiten de rand van het toegewezen vierkant reikte. Op dit niveau waren de gaatjes niet langer geclusterd in een zwakke lijn; in plaats daarvan waren ze gelijkmatig over het materiaal verspreid, en daalde het totale aantal holtes aanzienlijk. Wanneer zij deze hoge overlap combineerden met de een millimeter durende laagverschuiving, waren de resultaten zelfs nog beter, waarbij de gemiddelde porositeit werd teruggebracht tot slechts 0,10 procent.

De studie keek ook naar de tijd die nodig was om deze onderdelen te printen. Het vergroten van de overlap betekende dat de laser een klein stukje verder moest reizen, wat een minimale hoeveelheid tijd toevoegde aan het proces, maar de toename was verwaarloosbaar. De onderzoekers concludeerden dat de meest effectieve manier om sterke, dichte metalen onderdelen te produceren met deze chessboard-strategie niet is om te vertrouwen op het verschuiven van de lagen, maar om ervoor te zorgen dat de laser de randen van de eilanden voldoende overlapt om een volledige smelting te garanderen. Hoewel het verschuiven helpt om resterende defecten te verdelen, kan het het probleem niet oplossen als de initiële fusie tussen de vierkanten incompleet is. Dit inzicht biedt een duidelijk, praktisch pad voor ingenieurs om de kwaliteit van metalen 3D-geprinte onderdelen te verbeteren, zodat zij vrij zijn van de verborgen zwakheden die kunnen leiden tot falen.