SB_22039LP

anschließend in das Substrat statt. Hierzu präsentieren beispielsweise Ranjan et al. ein analytisches Modell,
in dem eine Wärmeableitung über das Pulver vernachlässigt und nur eine Wärmeleitung in bereits erzeugte
Strukturen sowie Wärmestrahlung und -konvektion berücksichtigt werden [Ran20]. Sie berichten, dass die
Maximaltemperatur als Bewertungskriterium für eine Wärmeakkumulation geeignet ist und leiten daraus
hinsichtlich einer Wärmeakkumulation besonders kritische Bauteilbereiche ab.
Hierbei stellen Überhangstrukturen solche kritischen Bereiche dar. Um Überhangstrukturen herzustellen,
wird direkt über nicht konsolidiertem Pulver eine Strukturverbreiterung erzeugt, sodass in dieser Schicht
mehr Wärme bei gleichem Querschnitt zur Wärmeableitung ins Substrat eingebracht wird. Cloots et al. bezeichnen
diese Bereiche als „nach unten gerichtete Bereiche“ und grenzen sie von „nach oben gerichteten“
Bereichen ab, bei denen auf bereits erzeugten Strukturen ein Aufbauprozess stattfindet [Clo17]. Je flacher
der Überhangwinkel im Designprozess gewählt wird, desto größer ist die resultierende Wärmeakkumulation.
Hierzu wird von Wang et al. angegeben, dass bei typischen PBF-LB-Prozessen eine Wärmeakkumulation ab
einem Winkel < 45° kritisch wird [Wan13].
Eine Wärmeakkumulation beim PBF-LB-Prozess kann sowohl eine fehlerfreie Bauteilherstellung verhindern
als auch negative Auswirkungen hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften, der Mikrostruktur oder der
Oberflächenqualität haben [Gup19]. Beispielsweise berichten Jamshidinia und Kovacevic von einer erhöhten
Oberflächenrauheit bei der Herstellung von dicht nebeneinander befindlichen Strukturen, welche eine Wärmeakkumulation
hervorrufen [Jam15]. Auch die Ausbildung von Eigenspannungen im Bauteil kann nach Mirkoohi
et al. innerhalb des PBF-LB-Prozesses durch Temperaturgradienten aufgrund von lokalen Wärmeakkumulationen
hervorgerufen werden [Mir20].
Ein häufig angewendeter Ansatz, um die Wärmebelastung in kritischen Bauteilbereichen zu reduzieren, ist
das Vorsehen von Stützstrukturen, welche i.d.R. zusätzlich mechanisch stabilisierend bei der Fertigung von
Überhängen wirken. Da solche Strukturen jedoch nach dem Fertigungsprozess im Rahmen von Nacharbeit
entfernt werden müssen, stellen Allaire und Bogosel einen Ansatz zur Optimierung solcher Stützstrukturen
vor [All18]. Hierbei wird vor allem die Orientierung des Bauteils im Bauprozess, die Form und die Position der
Stützstrukturen und die Zugänglichkeit der Stützstrukturen zur Nacharbeit berücksichtigt. Außerdem werden
von Allaire et al. Algorithmen zur automatisierten Optimierung von Stützstrukturen präsentiert, welche jedoch
vorrangig eine schwerkraftinduzierte Verlagerung und nicht eine Wärmeakkumulation berücksichtigen
[All20]. Eine Optimierung von Stützstrukturen hinsichtlich der Wärmeableitung wird hingegen beispielsweise
von Cooper et al. für elektronenstrahlbasierte Bauprozesse im Pulverbett entwickelt [Coo16] und von Paggi
et al. auf den PBF-LB-Prozess übertragen [Pag19]. Hierbei werden Stützstrukturen ohne direkten Kontakt
in der Nähe der temperaturkritischen Bereiche vorgesehen, welche die Wärmeableitung gegenüber eines
reinen Pulverbetts erhöhen. Es wurde gezeigt, dass diese unter anderem einen thermischen Verzug reduzieren
und gleichzeitig mit geringer Nacharbeit entfernt werden können.
Sensorische Erfassung einer Wärmeakkumulation
Wie im vorherigen Kapitel beschrieben, eignet sich die während des Prozesses auftretende Maximaltemperatur
zur Identifikation und Quantifizierung einer Wärmeakkumulation. Daher stellt die Messung der Temperatur
und der Wärmestrahlung während des PBF-LB-Prozesses über pyrometrische Methoden ein in der Literatur
vielfach untersuchtes Themenfeld dar. Bei PBF-LB-Prozessen wurde bereits sowohl die Ein- als auch
die Zweikanalpyrometrie angewendet, welche sich hinsichtlich des Messprinzips unterscheiden. Die Einkanalmessung
weist hierbei den Nachteil auf, dass die Kenntnis eines material- und oberflächenabhängigen
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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF22039N