Optimizing Laser-Based Powder Bed Fusion Parameters for Dense Builds in MetalAdditive Manufacturing: A Study on 316L Stainless Steel Using Aconity 3D Micro L-PBFMachine

Abstract

La adquisición del sistema LPBF AconityMICRO por parte de Cornell University ha iniciado este proyecto: desarrollar un conjunto de parámetros para optimizar la fabricación en acero inoxidable 316L. El objetivo es crear un marco que garantice construcciones de alta densidad en este material, utilizando la densidad de energía como parámetro clave. El proyecto tiene como meta predecir la formación de defectos y las características fundamentales de grano y microestructura en futuras piezas fabricadas. Este estudio ha implicado una revisión exhaustiva de la teoría publicada sobre los procesos de LPBF, centrándose en la optimización de parámetros para minimizar la porosidad. Los parámetros fundamentales son la potencia del láser, la velocidad de escaneo, el espaciado entre pasadas del láser y el grosor del lecho. Se ha creado un mapa para ilustrar la relación entre estos parámetros y la formación de defectos, centrándose en valores de VED entre 65 y 100 J/mm³ como ideales para la fabricación de piezas de alta densidad, así como estimando zonas de transición en dichos mapas hacia regiones donde se darán defectos por falta de fusión (LOF) o por el contrario porosidad por efecto “keyhole”. De forma crucial y en paralelo, se ha realizado un entrenamiento cubriendo el funcionamiento de la máquina, protocolos de seguridad y manejo de polvos. Se han utilizado herramientas de software como Netfabb y Fusion 360 para el diseño de las piezas, y se han practicado técnicas de post-procesamiento, incluyendo el pulido y el análisis por imagen de microscopio, para analizar exhaustivamente las muestras fabricadas. Las conclusiones del proyecto son las siguientes: la determinación valores coherentes para los parámetros más cruciales y el establecimiento de un marco para la predicción de defectos utilizando VED. El trabajo futuro implicará validar estos mapas de parámetros mediante la producción y test de piezas que validen este estudio.

Cornell University's acquisition of the AconityMICRO laser powder bed fusion system initiated a project to establish robust processing parameters for 316L stainless steel. The goal was to create a framework ensuring high-density and quality builds, using energy density as a key parameter. The project aimed to predict defect formation and microstructure characteristics and develop future operational expertise with the AconityMICRO machine. The study involved a thorough literature review of LPBF processes, focusing on parameter optimization to minimize defects and porosity. Key parameters included laser power, scanning speed, hatch spacing, and layer thickness. A processing map was created to illustrate the relationship between these parameters and defect formation, specifically focusing on volumetric energy density (VED) values between 65 and 100 J/mm³ as ideal for high-density samples, along with transition ranges to lack of fusion defects or keyhole porosity. Microstructural characteristics and its implications were also addressed. Training was a crucial component, with students receiving instruction on machine operation, safety protocols, digital interface manipulation, and powder handling. Software tools like Netfabb and Fusion 360 were used for design and modeling; and post-processing techniques, including polishing and microscopy, were practiced to thoroughly analyze fabricated samples. The project's conclusions emphasized achieving high-density components through critical processing parameters and establishing a framework for defect prediction using VED. Future work may involve validating the parameter maps by producing and analyzing test samples across optimal and defect-prone zones, ensuring reliable operation of the AconityMICRO system, thus this study prepares the engineer to successfully perform said validations.