Adaptive powder nozzle for additive manufacturing processes
Final Report Abstract
Numerische Simulationen und Hochgeschwindigkeitsaufnahmen des Pulverstroms an Einzelinjektoren ermöglichen ein detailliertes Verständnis des Einflusses der Parameter auf den Pulverstrom. Die Partikelgeschwindigkeit wird geringfügig höher bei der Verwendung kleinerer Partikelgrößen, sowie bei glatteren Injektoren. Den größten Einfluss auf die Partikelgeschwindigkeit zeigt eine Verringerung des Injektorinnendurchmessers, sowie die Erhöhung des Trägergasdurchflusses. Zugleich führt ein geringer Innendurchmesser aber auch zu einem hohen Divergenzwinkel des Pulverstrahls. Hier zeigen innenpolierte Injektoren die kleinsten Divergenzwinkel. Durch die Berücksichtigung der Wandinteraktion und der Analyse der Oberfläche in den numerischen Berechnungen, konnte für das charakteristisch abweichende Verhalten großer Partikel nachgewiesen werden, dass dieses nicht nur den geringeren Einfluss der Trägergasströmung, sondern auch durch den geringeren Einfluss der Wandrauheit im Zulauf der Düse beeinflusst wird. Bei der Analyse der Partikelgrößenverteilung im Streubild weisen die numerischen Ergebnisse auf dem Rückschluss hin, dass die mit der Nutzungszeit zunehmend beschädigte Oberfläche einen stärken Einfluss auf kleinere Partikel hat, da sich die Zunahme der Wandrauheit negativ auf die Möglichkeit der Fokussierung dieser Partikelgrößen auswirkt. Zur Charakterisierung des Pulverstrahls wurde eine neuartige Methode vorgestellt. Basierend auf der Mittelwertbildung der Pulverintensität über konzentrische Kreise in den Linienschnitt-Messungen, kann ein äquivalenter Pulverspotdurchmesser berechnet werden. Ein Vorteil dieser Methode ist, dass sie für kontinuierliche, diskrete und sogar laterale Düsen anwendbar ist. Ein weiterer Vorteil durch die Beschreibung des Pulverstrahls liegt in der quantitativen Vergleichbarkeit zu Simulationsergebnissen. Die Wechselwirkung zwischen Pulverstrahl, Laserstrahl und Schmelzbad und ihre Auswirkungen auf die Schweißraupe wurden anhand einer Labordüsenanordnung untersucht. Die Schweißversuche konnten zeigen, dass die Konfiguration der Pulverdüse zu deutlichen unterschiedlichen Pulvernutzungsgraden und Geometrien der Spur führt. Dabei wurde beobachtet, dass das Einbindungsverhalten der Pulverpartikel sich signifikant ändert mit der Größe des Laserspots, der Partikelgeschwindigkeit und dem Abstand der Düse zum Schmelzbad. Für ein adaptives Düsensystem ist eine geometrische Anordnung der Injektoren notwendig, welche eine gezielte Änderung der resultierenden Spurgeometrie ermöglicht, jedoch nicht gegen kleinere Abweichungen im Prozess, insbesondere den z-Abstand, empfindlich ist. Hier hat sich die Änderung des Abstands der Injektoren zur Bezugsebene auf ihrer eigenen Achse als vorteilhaft erwiesen. Dabei gilt zu beachten, dass die Einzelinjektoren einen hinreichend kleinen Divergenzwinkel aufweisen müssen. Dieser macht das Düsensystem robust gegen geringe Änderungen im z-Abstand der Düse zum Werkstück.
Publications
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Characterization of particle-laden jet flows in inertia-dominated regime. International Journal of Multiphase Flow, 157, 104245.
Haghshenas, Armin & Groll, Rodion
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Characterization of the powder stream propagation behavior of a discrete coaxial nozzle for laser metal deposition. Journal of Laser Applications, 34(4).
Bohlen, Annika; Seefeld, Thomas; Haghshenas, Armin & Groll, Rodion
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Influence of powder feed parameters on the powder stream in laser metal deposition (LMD) by high-speed and high-resolution imaging. LAF 2022: Proceedings of the 12th Laser Applications Forum. Eds. T. See feld, T. Radel, T. Mattulat. Strahltechnik Band 76, BIAS Verlag Bremen (2022) 1–6.
Bohlen, A.; Tyralla, D. & Seefeld, T.
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Haghshenas, Armin; Bohlen, Annika; Tyralla, Dieter & Groll, Rodion
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Prediction of particle-laden pipe flows using deep neural network models. Physics of Fluids, 35(8).
Haghshenas, Armin; Hedayatpour, Shiva & Groll, Rodion
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Adaptive powder nozzle setup for enhanced efficiency in laser metal deposition. Journal of Laser Applications, 36(1).
Bohlen, Annika & Seefeld, Thomas
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Characterization method for different powder noz zle types used in laser metal deposition. Proc. of Lasers in Manufacturing Confer ence 2023 (LiM 2023). German Scientific Laser Society/Wissenschaftliche Gesell schaft Lasertechnik e.V. (WLT e.V.)
Bohlen, Annika; Tyralla, D. & Seefeld, Thomas
