Laser powder bed fusion parameter driven porosity for 15-5 PH

Abstract

This Master's thesis studies parameter driven porosity in Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) for 15-5 PH stainless steel. Typical L-PBF additive manufacturing focuses on maximizing part density and minimizing defects. Parameter driven porosity opens novel applications for printed parts, such as filtration and flow control systems. The primary objective is to achieve a controllable relationship between specific process parameters and the resulting internal pore characteristics.

Test specimens are manufactured with an EOS M280 system by modifying key process parameters: hatch spacing, scanning speed, and laser spot size. The printed parts are evaluated through Scanning Electron Microscopy (SEM) imaging, geometric porosity measurements, gas permeability testing and mechanical testing.

The results demonstrated that increasing the hatch distance significantly increases the total porosity (which ranged from 5.8% to 23.5% across the tested parameters) and average pore size, while predictably reducing the mechanical strength of the part. Notably, the gas permeability did not directly correlate with the total geometric porosity. The largest hatch spacings led to overhang collapse and closed sidewall pores, which restricted airflow. Furthermore, increased scanning speeds induced severe balling effects, causing high deviations in pore geometry, while a reduced laser spot size created narrow, deep pores and heavily sealed sidewalls.

The study concludes that utilizing highly porous L-PBF components in the as-built state yields unpredictable permeability due to un-melted powder trapped inside the complex internal channels. Developing and applying effective post-processing powder removal methods is essential for utilizing L-PBF porous parts in functional industrial applications.

Tämä diplomityö tutkii prosessiparametrien avulla ohjattua huokoisuutta 15–5 PH ruostumattoman teräksen jauhepeti (L-PBF) 3D-tulostuksessa. Tyypillinen L-PBF perustuva 3D-metallitulostus keskittyy kappaleiden tiheyden maksimoimiseen ja valmistusvirheiden minimoimiseen. Parametrien avulla ohjattu huokoisuus avaa tulostetuille osille uusia sovelluskohteita, kuten suodatin- ja virtauksensäätöjärjestelmiä. Päätavoitteena on määrittää hallittava yhteys tiettyjen prosessiparametrien ja niistä muodostuvien sisäisten huokosominaisuuksien välille. Koekappaleet valmistettiin EOS M280 -laitteistolla muokkaamalla keskeisiä prosessiparametreja: laserin väliä, skannausnopeutta ja laserin säteen kokoa. Tulostettuja osia kuvattiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM), geometrisilla huokoisuusmittauksilla, kaasunläpäisevyystesteillä ja mekaanisilla kokeilla.

Tulokset osoittivat, että viivavälin kasvattaminen lisää merkittävästi kokonaishuokoisuutta (joka vaihteli 5,8 % ja 23,5 % välillä) ja keskimääräistä huokoskokoa, samalla kun se heikentää kappaleen mekaanista lujuutta. Huomionarvoista oli, ettei kaasunläpäisevyys korreloinut suoraan geometrisen kokonaishuokoisuuden kanssa. Suurimmat viivavälit johtivat sularadan romahtamiseen ja sivuseinämien huokosten sulkeutumiseen, mikä rajoitti ilmavirtausta. Lisäksi korkeammat skannausnopeudet aiheuttivat palloutumista (balling), mikä johti suureen hajontaan huokosgeometriassa. Pienempi laserin säteen koko puolestaan loi kapeita, syviä huokosia ja tiiviisti sulkeutuneita sivuseinämiä. Tutkimuksen johtopäätöksenä todetaan, että voimakkaasti huokoisten L-PBF-komponenttien käyttö sellaisenaan (as-built) johtaa arvaamattomaan läpäisevyyteen monimutkaisten sisäisten kanavien sisälle jäävän sulamattoman pulverin vuoksi. Tehokkaiden pulverinpoistomenetelmien kehittäminen ja soveltaminen on välttämätöntä, jotta L-PBF-menetelmällä valmistettuja huokoisia osia voidaan hyödyntää toiminnallisissa teollisissa sovelluksissa.