Characterization and prediction of SLS - ETH E

DISS. ETH No. 23250
Characterization and prediction of SLS
processability of polymer powders with respect to
powder flow and part warpage
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES
of
ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
ANTONIO FELIPE AMADO BECKER
MSc. Pontificia Universidad Católica de Chile
born on 06.04.1981
citizen of
CHILE
accepted on the recommendation of
Prof. Dr.-Ing. K. Wegener / Examiner
Prof. D.Sc. MSc. Gideon N. Levy / Co-Examiner
2016
IX
Kurzfassung
Kurzfassung
Das Selektive Lasersintern (SLS) stellt im Bereich der Additiven Fertigung eine der wenigen
Technologien dar, die in der Lage sind, bestehende industrielle Fertigungsverfahren zu
ergänzen oder sogar zu ersetzen. Die hohe Komplexität, sowie das derzeit fehlende tiefe
Verständnis für den Prozess, haben bisher eine tiefgreifende Integration in die industrielle
Produktionskette verhindert. Die wesentlichen Gründe hierfür sind die eingeschränkte
Zuverlässigkeit der gesinterten Teile und das geringe Spektrum an verarbeitbaren Materialien.
In diesem Zusammenhang behandelt die vorliegende Arbeit zwei Aspekte, die im Bereich des
Selektiven Lasersinterns bisher nicht untersucht worden sind. Zum ersten wurde die
Fliessfähigkeit von SLS Pulvern unter der Verwendung einer rotierenden Trommel untersucht,
welche die Bedingungen während des Pulverauftragsprozess nachbildet. Hierzu wurde eine
bestehende Messmethode modifiziert, um die Fliessfähigkeit des Materials auch bei erhöhten
Temperaturen charakterisieren zu können. Dieses System erlaubt erstmals die Beurteilung
von Pulvern im Mikrometerbereich bei ähnlichen Verhältnissen wie sie im Bauraum einer
SLS-Maschine auftreten. Zusätzlich wird eine neue Kenngrösse zur Charakterisierung
vorgeschlagen die auf der kombinierten Analyse von dynamischer Volumenexpansion und
der Neuanordnung der Partikel basiert. Diese Kenngrösse wurde empirisch bestätigt und kann
zuverlässig die Packungsdichte von SLS tauglichen Materialien vorhersagen. Daraus
resultierend kann sowohl der Entwicklungszyklus wesentlich verbessert, als auch die Kosten
und die Vorlaufzeit für neue Materialien reduziert werden.
Zum zweiten wurde ein transientes Multiphysik Modell des SLS-Prozesses entwickelt. Dieses
soll das Verständnis für die miteinander Verknüpften Prozesse des Phasenwechsels und des
viskoelastischen Verhaltens der Schmelze während der Kristallisierung verbessern.
Insbesondere wurde der Einfluss der wesentlichen maschinenseitigen Prozessparameter
untersucht: Schichtdicke, Pulverhöhe, Pulverbett-, Dosierkammer- und Vorheiztemperatur.
Zum einen konnte dargestellt werden, dass der Prozess bei den ersten gesinterten Strukturen
nicht einer isothermischen Kristallisierung folgt - Zum anderen findet ein
„schrittweiser“ Phasenwechsel statt, der zu eine m unstetigen Spannungszustand entlang der
Baurichtung (z-Achse) führt und so den ungünstigen „Warpage-Effekt“ hervorruft. Diese
Resultate unterstützen das tiefergehende Verständnis für den SLS-Prozess und geben
Hinweise in welchen Bereichen weitere Entwick lungsarbeiten notwendig sind, um das
Selektive Lasersintern weiter als industrielle Fertgungstechnologie zu etablieren.
Abstract
X
Abstract
Among the current Additive Manufacturing technologies, Selective Laser Sintering (SLS)
constitutes nowadays the most promising technique to become a widespread manufacturing
process that can complement, and eventually replace, traditional manufacturing methods.
However, the current lack of deep understanding of the process due to its complexity has hindered a faster adoption by the industry for the production of end- use products. The main reasons are the reduced reliability of the sintered parts and the small spectrum of materials that
can be currently processed.
In this context, the following work addressed two main aspects not previously investigated in
the SLS field. On the first hand, the flowability of SLS powders was examined employing a
rotational drum that emulates the handling condition of the raw powdered material during the
process. An existing powder characterization technique was modified and adapted in order to
be able to characterize the flowability of powders at elevated temperature. This system allowed for the first time the evaluation of micron sized powders under close handling conditions and temperature as those that are found in the SLS chamber. Additionally, a new characterization index was proposed based in the combined analysis of dynamic volume expansion
and powder rearrangement, which was empirically validated and can successfully predict the
packing density of materials suitable for the SLS process. Thus, the development cycle for
new powders can be improved, while the cost and time to market can also be reduced.
On the second hand, a transient multiphysics model of the SLS process was developed in o rder to better understand the coupled phase change and viscoelastic behavior from the molten
state during the crystallization stage under the thermal environment of the process. In partic ular, the effect of the machine process parameters was investigated, including the layer thickness, base powder height, part bed, feeders and piston heater temperatures. It was found out
that the process does not follow an isothermal crystallization during the first sintered structures and that a ‘step-wise’ phase change takes place in the first stack of layers, being responsible for the development of the undesired warpage phenomenon due to the non-continuous
stress state development along the build axis when a proper build set up is not selected. This
result helps to better understand the SLS process and gives additional insights where the R&D
efforts need to be concentrated in the future in order to improve the technology towards an
established industrial manufacturing process.

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