Punktbasierte Belichtungsstrategien


Im pulverbettbasierten Elektronenstrahlschmelzen lassen sich heute bereits komplexe Bauteile herstellen. Klassische linienbasierte Belichtungsstrategien führen jedoch zu inhomogenen Temperaturhistorien innerhalb einzelner Schichten und damit zu räumlich variierenden Materialeigenschaften im Bauteil.
Der Übergang zu punktbasierten Belichtungsstrategien ermöglicht eine gezielte räumliche und zeitliche Kontrolle des Energieeintrags und eröffnet damit einen vielversprechenden Weg zu homogenen Materialeigenschaften im gesamten Bauteil. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines Algorithmus, der aus der nahezu unendlichen Anzahl möglicher Punktreihenfolgen eine optimale Belichtungssequenz bestimmt und dabei sowohl maschinenbedingte Restriktionen als auch den thermischen Haushalt des Prozesses berücksichtigt.
Der entwickelte Ansatz erlaubt es, gleichmäßige Temperaturhistorien innerhalb einer Schicht zu realisieren und gleichzeitig die begrenzte Ablenkungsgeschwindigkeit des Elektronenstrahls zu berücksichtigen. Darüber hinaus kann die starre Gitterbindung von Schmelzpunkten an Bauteilrändern aufgelöst und flexibel in die Belichtungsstrategie integriert werden. In Kombination mit geeigneten dreidimensionalen Gitteranordnungen kann so auf separat geschmolzene Konturlinien verzichtet werden, ohne Einbußen bei der Oberflächenqualität in Kauf nehmen zu müssen.
Die Vorteile liegen auf der Hand: der Ausschluss einer wesentlichen Defektquelle, eine Reduktion von Energieverbrauch und Schmelzzeit sowie ein deutlich geringerer Entwicklungsaufwand. Der Algorithmus ist auf beliebige Geometrien und gängige Punktgitter anwendbar und wird neben dem universitären Umfeld auch regelmäßig in großskaligen industriellen Bauaufträgen eingesetzt. Die Generierung maschinenfertiger Baudateien für Bauteile mit bis zu 150 Millionen Einzelpunkten ist auf einer lehrstuhleigenen Workstation innerhalb einer Nacht möglich.
Diese Arbeiten sind im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 814 „Additive Fertigung“ entstanden und bilden heute die Grundlage für eine Vielzahl weiterführender Forschungsprojekte und Förderanträge. Die entwickelten Konzepte und Methoden fließen unter anderem in aktuelle und geplante Vorhaben auf nationaler und internationaler Ebene ein, einschließlich des ERC-Grants AMELI, und treiben die Weiterentwicklung punktbasierter Belichtungsstrategien in der additiven Fertigung maßgeblich voran.


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