Laserstrahlschmelzen

Neben der Anwendung im Prototypen- und Werkzeugbau werden additive Fertigungsverfahren heute auch vermehrt in der Serienproduktion eingesetzt. Zur Herstellung metallischer Bauteile eignet sich vor allem das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen. Hierbei wird das Bauteil durch lokales Aufschmelzen des Metallpulvers durch einen Laserstrahl und das anschließende Erstarren des Werkstoffs schichtweise aufgebaut. Die Abbildung gibt einen Überblick über die einzelnen Prozessschritte. Zunächst wird die Bodenplatte um die gewünschte Schichthöhe abgesenkt, woraufhin der Pulverauftrag durch den Beschichter erfolgt. Danach wird das Pulver lokal durch einen Laserstrahl aufgeschmolzen, wobei der Energieeintrag hier so zu wählen ist, dass eine Anbindung an darunterliegende Schichten stattfinden kann. Vorteile der Technologie sind unter anderen die Möglichkeit, Bauteile direkt aus dem CAD-Modell zu erzeugen, die nahezu uneingeschränkte Formgebungsfreiheit sowie die hohe Ressourceneffizienz, da nicht aufgeschmolzenes Pulver für nachfolgende Fertigungsvorgänge wiederverwendet werden kann. Aus den verfahrensbedingt auftretenden Temperaturgradienten resultieren jedoch Verformungen und Eigenspannungen, die sich auf die Prozessstabilität sowie die Bauteilqualität negativ auswirken können. 

Mit der additiven Fertigung durch das Laserstrahlschmelzen sind einige Besonderheiten verbunden, die teilweise bereits in der Bauteilauslegung bzw. in der Fertigungsvorbereitung zu berücksichtigen sind. Beispiele hierfür sind der Treppenstufeneffekt und die verfahrensbedingte Notwendigkeit, Supportstrukturen mit dem Bauteil gemeinsam aufzubauen.

Treppenstufeneffekt:
Durch die Schichtbauweise ergeben sich bei Steigungen oder Krümmungen des Bauteils in Aufbaurichtungen sogenannte Stufen. Bei geringen Steigungen und hoher Schichtstärke kann dieser Effekt deutlich in Erscheinung treten und die Maßhaltigkeit sowie Oberflächengüte des Bauteils negativ beeinflussen.

Supportstrukturen:
Beim Laserstrahlschmelzen können Bauteile nicht ohne weiteres ins Pulver hinein aufgebaut werden. Falls es aufgrund von Konstruktionsmerkmalen nicht möglich ist dies durch eine geeignete Orientierung des Bauteils im Bauraum zu vermeiden, können sogenannte Stützstrukturen (Supports) mit aufgebaut werden. Es handelt sich hierbei um Hilfskonstruktionen, die gemeinsam mit dem Bauteil aufgebaut werden. In Abhängigkeit von der abzustützenden Kontur gib es eine Vielzahl von in Frage kommenden Supportstrukturen:

  • Blocksupport
  • Liniensupport
  • Websupport
  • Punktsupport

Lasersintern

Das Lasersintern ist ein additives Schichtbauverfahren, bei dem mithilfe eines Laserstrahls ein pulverförmiger Werkstoff an definierten Stellen selektiv verschmolzen und somit verbunden wird, wodurch Schicht für Schicht ein Bauteil im Pulverbett aufgebaut wird. Im Gegensatz zum artverwandten Laserstrahlschmelzen werden die Pulverpartikel nur partiell aufgeschmolzen. Das Pulverbett wird durch ein Heizsystem auf eine Temperatur knapp unterhalb des Schmelzpunktes des Werkstoffs aufgeheizt, wodurch der Laser weniger Leistung einbringen muss, als wenn ohne Vorheizung gearbeitet würde. Das Verfahren ist besonders wirtschaftlich, da wegen des stabilen Pulverbetts keine Stützstrukturen benötigt werden, was den Entpackaufwand der Produkte reduziert. Weiterhin können die Bauteile frei im Bauraum platziert werden, was eine besonders effiziente Nutzung des zur Verfügung stehenden Bauvolumens ermöglicht.

Das am Fraunhofer Institut eingesetzte, kompakte Lasersinter-System EOS FORMIGA P 100 ermöglicht die Herstellung von Kunststoffprodukten aus Polyamid und Polyamid- basierten Werkstoffen innerhalb weniger Stunden. In einem Bauraum von 200 mm x 250 mm x 330 mm können Kleinserien und individualisierte Produkte mit komplexen Geometrien wirtschaftlich umgesetzt werden.

  • Laserleistung: 30 W
  • Eigener Stickstoffgenerator
  • Verarbeitbare Materialien: Polyamid, Polyamid-basierte Werkstoffe
  • Bauraumgröße: 200 mm x 250 mm x 330 mm
  • Verwendete Schichtdicke: 0,1 mm
  • Typische Durchlaufzeit: 24 Stunden
  • Keine Support-Strukturen benötigt

3-D-Drucken

Abbildung : Teststand für den 3-D-Druck im AMLab

Der pulverbettbasierte 3-D-Druck ist ein additives Fertigungsverfahren, bei welchem ein flüssiger Binder mittels eines Tintenstrahldruckkopfs selektiv auf eine Pulverschicht geduckt wird. Der Binder reagiert chemisch mit dem Pulver und verfestigt dieses. In einem iterativen Zyklus, bestehend aus dem Auflegen einer dünnen Pulverschicht und dem selektiven Bedrucken, werden die Bauteile sukzessive aufgebaut.

Für die Forschung am AMLab wird ein Teststand verwendet, der nahezu frei modifizierbar ist. Mit einem Bauraum von 110 x 250 x 95 mm³ und einem Spectra-Druckkopf mit 128 Düsen ist die Anlage prädestiniert für Untersuchungen im Labormaßstab. Die Erweiterbarkeit um einen zweiten Druckkopf sowie ein integriertes Disperser-System ermöglichen die Multimaterialverarbeitung. Darüber hinaus wurde die Anlage um ein Aussaugmodul und ein Pick & Place System erweitert, um technische Komponenten während des Prozesses automatisiert in die Bauteile zu integrieren. Der Fokus aktueller Forschungsarbeiten liegt auf der Material- und Prozessentwicklung sowie der Multimaterialverarbeitung.

  • Großes Spektrum an potenziell einsetzbaren Materialien
  • Hohe Wirtschaftlichkeit durch vergleichsweise kurze Schichtzeiten und günstige Anlagentechnik 
  • Sehr große Anlagen realisierbar (aktuell bis 4 x 2 x 1 m³)
  • Kontinuierliches Druckverfahren möglich
  • Multimaterialverarbeitung und farbige Bauteilgestaltung möglich

Fused Deposition ModelingElektronenstrahlschmelzen

Das Fused Deposition Modeling basiert auf einem vergleichsweise einfachen Verfahrensprinzip, nämlich der präzisen, schichtweisen Extrusion von aufschmelzbaren Materialien auf eine Bauplattform. Dabei wird das extrudierte Material in Bahnen aufgetragen, deren Breite gleich dem Durchmesser der Düse ist. Das Ausgangsmaterial liegt in Form eines Drahtes, dem sogenannten Filament, vor und wird über einen Fördermechanismus zugeführt. Im Extruder wird das Material in einer beheizten Düse aufgeschmolzen und schichtweise auf die Bauplattform bzw. auf die bereits erstarrten Schichten aufgebracht. Die Verbindung übereinander- und nebeneinander liegender Bahnen hat dabei maßgeblichen Einfluss auf die späteren mechanisch-technologischen Eigenschaften des Bauteils. Das Auftragen der nachfolgenden Schichten wird durch ein Absenken der Bauplattform realisiert.

  • Einfache und unkomplizierte Handhabung der Anlagen
  • Vergleichsweise geringe Anlagen- und Betriebskosten
  • Verwendung in einer Büroumgebung möglich
  • Große Vielfalt zur Verfügung stehender Materialien
  • Verarbeitung verschiedener Materialien innerhalb eines Bauteils möglich

Elektronenstrahlschmelzen

Abbildung 1: Elektronenstrahlschmelzsystem basierend auf der Elektronenstrahlschweißanlage K6 der Firma pro-beam

Das Elektronenstrahlschmelzen ist ein additives Schichtbauverfahren, bei dem mithilfe eines Elektronenstrahls ein pulverförmiger Werkstoff an definierten Stellen selektiv verschmolzen und somit verbunden wird, wodurch Schicht für Schicht ein Bauteil im Pulverbett aufgebaut wird.

Im Gegensatz zum artverwandten Laserstrahlschmelzen findet der Prozess nicht unter Schutzgas sondern im Hochvakuum statt. Die Elektronen werden aus einer glühenden Kathode emittiert und durch eine anliegende Hochspannung auf eine Geschwindigkeit, die bis zu 2/3 der Lichtgeschwindigkeit beträgt, beschleunigt. Durch magnetische Spulen kann der Strahl geformt und abgelenkt werden, so dass die Leistung gezielt auf das Pulverbett aufgebracht werden kann.

Das am Institut eingesetzte Elektronenstrahlschmelzsystem basiert auf der Elektronenstrahlschweißanlage K6 der Firma pro-beam, welche um eine Bauplattform und ein Beschichtersystem zur Aufbringung der Pulverschichten ergänzt wurde.

  • Strahlleistung: max. 10 kW
  • Arbeitet im Hochvakuum
  • Sehr hohe Ablenkgeschwindigkeiten
  • Quasi-Multibeam-Technologie