Multilaser AM-systemen: zinvol mits met beleid

In de tweede generatie multilaser systemen, zoals de RenAM 500Q van Renishaw, kan elke laser het totale werkgebied bestrijken. Dat onderscheidt de nieuwe multilaser AM-systemen van de eerste generatie multilaser machines. Daarin was het bereik van een enkele straal meestal beperkt tot een deel van de bouwplaat, met een kleine overlap.

RENISHAW DEMONSTREERT AAN DE HAND VAN TALLOZE TESTEN HET METAALPRINTPROCES MET MÉÉR LASERS

Meer voordelen

Het nieuwe concept zorgt voor meer productiviteit doordat bij een niet symmetrische build alle vier de lasers optimaal kunnen worden benut. Bij de eerste generatie was dit niet het geval als in één kwadrant (bij 4 lasers) de vulling sterk afweek van de andere. Daarnaast vermijdt men met de nieuwe configuratie fouten in het oppervlak van grote werkstukken, omdat één laser de volledig buitencontour kan afwerken. De machinebouwers kunnen daarnaast het beschermgas in de hele bouwkamer in één richting laten stromen. En tot slot biedt het gebruik van één galvo unit waarop de spiegels voor de vier lasers worden geplaatst, zowel voordelen bij de bouw van de machine als het gebruik. Dit voorkomt thermische drift, een van de problemen met de eerste generatie multilaser systemen.

Grotere kans op interactie

Vier lasers die het hele veld bestrijken, vergroot wel de kans op onderlinge interactie. De relatieve positie van de lasers ten opzichte van de gasstroom is een cruciale factor, die bij de buildjob voorbereiding aandacht vraagt. In de klassieke metaalprinter met één laserbron begint men aan het uiteinde van de bouwplaat, recht tegenover de uitstroom van het beschermgas. De downwindside in vaktermen. Hiermee voorkomt men dat eventuele spatten die ontstaan in het smeltbad terecht komen in de poederlaag die nog gesmolten moet worden. Het is dus belangrijk om de richting waarin de vier lasers het bouwplatform afwerken, helder te definiëren.

Onderzoek door Renishaw

Renishaw heeft voor het whitepaper Multilaser processing strategies for highintegrity component manufacture veel testen gedaan met verschillende materialen (waaronder Inconel 718 en Titanium (Ti6Al4V), laagdiktes, configuraties en buildstrategieën op een RenAM 500Q. Hiermee zijn trekstaafjes getest voor verder onderzoek. Deze resultaten zijn vergeleken met die van trekstaafjes die geprint zijn in een basisconfiguratie, waarin de vier lasers aan de overzijde van de gasstroom beginnen en zo naar rechts werken. Dit levert in een aantal gevallen verschillen op in bijvoorbeeld ductiliteit, treksterkte en oppervlakteruwheid. Het uitlijnen van de lasers blijkt een belangrijke factor te zijn.

Comparison of impact on ductility and UTS of 1 and 3 upwind lasers in Inconel-718

Interactie laserstralen

Daarnaast is gekeken naar de interactie tussen de laserstralen. De ene straal kan de andere beïnvloeden, bijvoorbeeld doordat de focus minder wordt door condensatie van een ander smeltbad (defocussing). Of condensatie en spatten verhinderen dat het geprogrammeerde vermogen van de laser volledig het poederbed bereikt. De derde wisselwerking kan zijn dat grote spatten die op het poederbed achterblijven de energie van de laserstraal belemmeren door te dringen tot het poeder. Deze effecten zijn terug te zien in een geringere oppervlaktekwaliteit. Renishaw kan dit met de RenAM 500Q aantonen doordat het systeem over zowel een analysesysteem voor het smeltbad beschikt als het laservermogen continu monitort. Analyse van deze data toont aan dat bijvoorbeeld door de-focussing minder energie in het smeltbad komt en dus tot defecten leidt. Een opvallende conclusie uit de testen is dat bij Inconel 718 de laagdikte niet tot significante verschillen in de kwaliteit resulteert. Dat zou je wel verwachten omdat een grotere laagdikte het risico op meer spatten verhoogt, doordat meer laservermogen het smeltbad vergroot.

Andere conclusies

Welke conclusies trekken de AM-engineers van Renishaw nu in het whitepaper? Allereerst dat lasers in dezelfde gasstroomrichting op elkaar kunnen inwerken wanneer de ene direct downwinds van de ander belicht. Spatten en condensaat kunnen de oppervlakteruwheid verhogen van het deel dat door de laser downwinds wordt geproduceerd. Dit kan eveneens leiden tot defecten die voor een lagere treksterkte

zorgen. Wanneer de lasers dicht bij elkaar werken, is de interactie verwaarloosbaar. Neemt de afstand tussen de lasers toe, dan wordt de wisselwerking sterker.

RENISHAW BESCHRIJFT INHET WHITEPAPER TWEE BUILD STRATEGIEËN VOOR MULTILASER SYSTEMEN

Twee strategieën

Multilaser AM-systemen zijn zeker zinvol, mits goed gebruikt. Renishaw beschijft in het whitepaper twee build strategieën voor multilaser systemen. Als men meerdere kleinere onderdelen in één batch produceert, kunnen deze qua afmetingen het beste gelijk verdeeld worden over de vier kwadranten van de bouwplaat. Elke laser werkt dan één zo’n kwadrant af. Complexer wordt het als men op zo’n systeem één groot onderdeel gaat 3D printen. Dan zou men de bouwplaat kunnen verdelen in meerdere horizontale zones voor elke laser. Dit leidt onvermijdelijk tot markeringen in het oppervlak van het onderdeel als gevolg van het hersmelten van metaalpoeder. Een betere aanpak is dan om alle vier de lasers te gebruiken over het gehele onderdeel, met strategieën die voldoen aan de afstandsregels. Deze aanpak zorgt ervoor dat alle vier de lasers ongeveer even lang bezig zijn, waardoor de opbouwtijd per laag beperkt wordt. Daarna gebruikt men één van de vier lasers om de buitencontour van het werkstuk te printen.

Multilaser AM-systemen waarbij de lasers elkaar kunnen overlappen, leveren een hogere productiviteit en ook kwalitatieve voordelen. Maar men moet ervoor waken dat het overlappen van de lasers tot interactie leidt, wat gevolgen heeft voor de kwaliteit van het eindwerkstuk.

Whitepaper aanvragen

Renishaw heeft een whitepaper samengesteld over de juiste toepassing van meerdere lasers in een laser powderbed fusion (LPBF) systeem. Hierin wordt dieper ingegaan op de effecten van meer lasers in een AM-systeem, waar de risico’s zitten en hoe men deze kan minimaliseren. Het whitepaper Multi-laser processing strategies for high-integrity component manufacture maakt deel uit van de Renishaw AM Guide. Dit is een reeks online publicaties en whitepapers over eigenlijk alle aspecten van 3D metaalprinten. Deze informatie is na registratie voor iedereen vrij toegankelijk.

Meer informatie over de AM Guide vind je hier

Of neem contact op met Renishaw Nederland benelux@renishaw.comof +31 (0)76 543 11 00