Selective laser melting of glass powders

Fateri, Miranda; Roos, Christian Hans-Georg; Gebhardt, Andreas; Conradt, Reinhard

doi:37131

Selective laser melting of glass powders

Fateri, Miranda^RWTH*

2017 & 2018

VerantwortlichkeitsangabeVorgelegt von M.Sc. (FH) Miranda Fateri

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (171 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Conradt, Reinhard (Thesis advisor)^RWTH* ; Gebhardt, Andreas (Thesis advisor) ; Roos, Christian Hans-Georg (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-10-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-223439
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/722189/files/722189.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Hausner Ratio (frei) ; Pulver-Rheologie (frei) ; RA (frei) ; SLM (frei) ; glass (frei) ; high compression strength (frei) ; high melting temperature (frei) ; transparency (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Glasmaterial wird aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften wie hoher Schmelztemperatur, Transparenz, sowie hoher Druckfestigkeit, in verschiedenen industriellen Bereichen eingesetzt. Allerdings sind herkömmliche Glasherstellungsverfahren nicht optimal für generative Fertigungsverfahren. Deshalb ist die Herstellung von komplexen Geometrien derzeit nicht zeit- und kostengünstig realisierbar. Trotzdem können bestehende Fertigungsverfahren und entsprechende Beschränkungen durch Additive Manufacturing (AM) -Techniken ergänzt werden, bei denen freie Formgeometrien auf Basis von computergestützten Designs (CAD) schichtweise hergestellt werden. Diese Studie untersucht die Machbarkeit von selektivem Laserschmelzen (SLM) aus Natronkalk und Borosilikatglaspulver, gefolgt von der Herstellung von Testgeometrien für industrielle Anwendungen im Bereich von Mikrometern bis Dezimetern. Anfangs werden SLM-Prozessparameter und Scan-Strategie-Untersuchungen sowie Optimierungen für verschiedene Pulverteilchengrößen von Natron-Kalk-Glas durchgeführt. SLM-gefertigte Teile werden hinsichtlich ihrer Dichte und Oberflächenrauhigkeit analysiert. Darüber hinaus beinhaltet diese Studie unter anderem die systematische SLM-Prozessparameteroptimierung (experimentell und analytisch), Pulverrheologie und die Analyse des Sinterverhaltens von Borosilikatglas unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen. Dies geschieht mit dem Ziel, die Dichte und Oberflächenrauhigkeit der SLM - verarbeiteten Teile zu bewerten. Dabei werden Prozessparameter-Optimierung sowie Scan-Strategie-Anpassung mit unterschiedlichen Pulverpartikeln durchgeführt. Darüber hinaus wird die Pulver-Rheologie mit Hausner Ratio (HR) und dem dynamischen Schüttwinkel (Lawinenwinkel) gemessen. Dabei werden sowohl die Schüttdichte und die Stampfdichte sowie der Lawinenwinkel von Pulvern mit unterschiedlichen Teilchengrößen, -verteilungen und -formen untersucht. Diese werden dann in Bezug auf die experimentellen schichtweisen Laminierungsergebnisse klassifiziert. Unter Verwendung von Hot Stage Microscopy (HSM) werden Viskositätspunkte der Pulver gemessen und angewendet, um ein analytisches Modell zu entwickeln, das durch die systematische Prozessparameterstudie sowie die thermische Prozessüberwachung vor Ort validiert wird. Darüber hinaus werden optimale SLM-Prozessparameter unter verschiedenen Arbeitsatmosphären angewendet, um die Oberflächenmorphologie der SLM-gefertigten Teile zu untersuchen. Schließlich wird die Pulverbettdichte durch eine polydisperse Pulvermischung optimiert, während die Pulverlaminierungsqualität im Hochstromregime gehalten wird. Die Ergebnisse zeigen, dass Prozessparameter für jedes Pulver individuell optimiert werden müssen, obwohl eine optimale Scan-Strategie für ein breites Spektrum von Pulverpartikelgrößen angewendet werden kann. Die SLM-gefertigten Teile weisen eine amorphe Struktur auf (Im gemessenen Bereich 20 ° ≤ 2θ ≤ 160 ° unter Benutzung von CrKα Strahlung), unabhängig von der Pulverteilchengröße. SLM-gefertigte Proben von Natronkalk-Glaspulvern ergeben eine maximale Dichte von 2.43 g/cm3 und eine Oberflächenrauhigkeit (Ra) von 0.88 µm bei einer Laserleistung von 60 W, 0.067 m/s Scan-Geschwindigkeit, 50 µm Hatch Abstand und 150 µm Schichtdicke. In Bezug auf SLM von Borosilikatmaterial (Kantige Teilchen) wird eine optimale Strömungslaminierung-squalität erreicht, indem monodisperse Pulver von 200 μm - 212 μm mit einem HR von 1.21 und einem durchschnittlichen Lawinenwinkel von ungefähr 39 ° erzeugt werden. Der Vergleich der Strömungsdynamik der abgerundeten Randteilchen mit den Kantige Teilchen kommt jedoch zu dem Schluss, dass die SLM-Laminierqualität durch Verwendung von sphärischen Pulvern weiter verbessert werden könnte. Unter Verwendung optimaler Prozessparameter, bei denen das Pulverbett die Viskosität der Halbkugelpunkttemperatur erreicht, werden Teile mit einer Dichte von 1.86 g/cm³ und einer Oberflächenrauhigkeit (Ra) von 10.75 μm hergestellt. Die endgültige Bauteildichte von 2.13 g/cm3 wird erreicht, indem unter synthetischer Luftatmosphäre eine bidisperse Mischung von Teilchen der Größen 63 µm - 90 µm und 200 µm - 212 µm in einem volumetrischen Verhältnis von 42 % bzw. 58 % hergestellt wird. Die Oberflächenrauhigkeit (Ra) des gefertigten Teils wird mit dem CO2 Laser Polierverfahren von 2 μm auf 0.9 μm verbessert. Zu Demonstrationszwecken werden komplexe Glasgeometrien hergestellt, die die Möglichkeiten der Herstellung von kundenspezifischen, komplexen Komponenten mittels SLM-Prozess aufzeigen.

Glass material is extensively utilized in various industrial fields due to its unique properties such as high melting temperature, transparency, as well as high compression strength; however, conventional glass production processes are not optimum for freeform fabrication applications. As such, fabrication of complex geometries in a time and cost effective manner is not currently realizable. Nevertheless, existing fabrication methods and corresponding constraints may be augmented by Additive Manufacturing (AM) techniques in which free form geometries are fabricated based on Computer Aided Design (CAD) data in a layer-wise manner. With respect to this, this study investigates the feasibility of Selective Laser Melting (SLM) of soda-lime and borosilicate glass powder followed by fabrication of test geometries for industrial applications ranging from micrometer to decimeter in size. Initially, SLM process parameter and scan strategy investigations and optimization for different powder particles sizes of soda-lime glass are carried out. SLM fabricated parts are analyzed regarding their bulk density and surface roughness. Furthermore, systematic SLM process parameter optimization both analytically and experimentally, powder rheology, and analysis of the sintering behavior of the borosilicate glass under various atmospheric conditions with the aim of evaluating the density and surface roughness of the SLM processed parts are among the main objectives of this study. Regarding this, process parameter optimization as well as scan strategy adaptation are carried out using different powder particles. Furthermore, powder rheology is analyzed using Hausner Ratio (HR) and dynamic angle of repose (avalanche angle) measurements. With respect to this, bulk and tapped densities as well as the avalanche angle of powders with different particle sizes, distributions, and shapes are studied and classified regarding their powder flow regimes based on the obtained experimental layer-wise lamination results. Moreover, using Hot Stage Microscopy (HSM) viscosity points of different powder particles sizes and distributions are studied and applied for developing an analytical model which is validated by the systematic process parameter SLM study as well as on site thermal process monitoring. Furthermore, SLM optimum process parameters are applied under different working atmospheres with the aim of studying the surface morphology of the SLM fabricated parts. Finally powder bed’s bulk density is optimized by polydisperse powder mixture preparation while keeping the powders’ lamination quality in the desirable flow regime. Results have shown, although developed optimum scan strategy can be applied for a wide range of powder particle sizes, process parameters need to be optimized for each powder individually. The SLM fabricated parts led to an amorphous structure (within the conducted measurement range of 20 ° ≤ 2θ ≤ 160 ° using CrKα radiation) regardless of the powder particle size. SLM fabricated samples from soda-lime glass powders yield a maximum density of 2.43 g/cm3 and a surface roughness (Ra) of 0.88 µm using a 60 W laser power, 0.067 m/s scan speed, 50 µm hatch spacing and a 150 µm layer thickness. Regarding SLM of borosilicate material, optimum flow lamination quality is achieved by creating angular shape monodisperse powders of 200 µm - 212 µm with a HR of 1.21 and an average avalanche angle of approximately 39 °. However, comparison of the flow dynamics of the rounded edge particles to the angular shape particles concluded that the SLM lamination quality could be further improved by using spherical powders. Using optimum process parameters in which the powder bed reaches the viscosity of the half ball point temperature, parts with a bulk density of 1.86 g/cm³ and a surface roughness (Ra) of 10.75 µm are fabricated. Final part’s bulk density of 2.13 g/cm³ is achieved under synthetic air using the volumetric mixed bidisperse particles of 63 µm - 90 µm and 200 µm - 212 µm powders in a ratio of 42 % and 58 % respectively. The surface roughness (Ra) of the fabricated part is improved from 2 µm to 0.9 µm using the CO2 laser polishing process. For demonstration purposes, complex glass geometries have been manufactured, promoting the possibilities of manufacturing custom, complex components via the SLM process.

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