16.03.2022 – Kategorie: Fertigung & Prototyping

Laser Powder Bed Fusion: Was die Qualität in der additiven Fertigung deutlich steigert

Laser Powder Bed Fusion: Neues Verfahren verbessert die Qualität und ProduktivitätQuelle: Raylase

Probleme beim 3D-Druck mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF), wie etwa mangelnde Homogenität des Schmelzbades, lassen sich nun lösen.

  • Ein programmierbarer Faserlaser mit Millisekunden schneller umschaltbarer Single- und Ring-Mode-Funktion in Kombination mit einer optischen Ablenkeinheit mit Zoom-Achse von Raylase verspricht Veränderungen in der additiven Fertigung.
  • Die beiden Produkte lösen, wie Untersuchungen an der TUM München zeigen, Probleme wie zum Beispiel mangelnde Homogenität des Schmelzbades und reduzierte Produktions­geschwindigkeit in der Laser Powder Bed Fusion (LPBF) beim 3D-Druck.
  • Durch den dynamischen Zugriff auf sieben unterschiedliche Strahl­qualitäten und eine exakte Strahlkontrolle soll das Zusammenspiel der beiden Lösungen die Qualität und Produktivität bei laser- und pulverbettbasierten additiven Fertigungsprozessen mit Metallen verbessern

Das Entwicklungstempo in der Additiven Fertigung beschleunigt sich. Dazu trägt schon seit Jahren der Einsatz von Lasertechnologie bei. Als schneller Läufer in der Produktion hat sich der Ring-Mode-Laser in Sachen Schweißen einen Namen gemacht. Für das „LPBF – Laser Powder Bed Fusion“-Verfahren beim 3D-Druck braucht es aber mehr. Hier bietet ein neuer Laser mit flexibel umschaltbarer Single- und Ring-Mode-Funktion unterschiedliche Strahlqualitäten von fein zu breit. Seit kurzem hat sich ein neuer Mitspieler auf dem Feld der Lasermaterialbearbeitung in der additiven Fertigung zu ihm gesellt. Dabei ist die Zusammenarbeit vielversprechend.

Einfluss des Strahlprofils auf die Mikrostrukturausbildung

Derzeit untersucht Frau Prof. Dr.-Ing. Katrin Wudy, Expertin und Professorin für die laserbasierte additive Fertigung die besondere Kombination aus Faserlaser AFX-1000 von nLight mit optischer Ablenkeinheit AM Module Next Gen von Raylase an der Technischen Universität München (TUM), Professur für Laser-based Additive Manufacturing (LBAM). Im Fokus ihrer Untersuchungen stehen dabei der Einfluss des Strahlprofils auf die Mikrostrukturausbildung. „Die so erzeugten Werkstücke schneiden wir auseinander und schauen uns unter dem Mikroskop die Kornstruktur Schliffbildern an,“ so Wudy.

Professorin Wudy von der TUM/LMA mit einem additiv gefertigten Werkstück. Das Zusammenspiel von Faserlaser und Ablenkeinheit erhöht die Produktivität bei gleichzeitig verbesserter Mikrostruktur der Metallbauteile. Bildquelle TUM/LBMA

„Durch die geänderten Schmelzspurgeometrien bei der Verwendung alternativer Strahlprofile liegt ein veränderter Wärmehaushalt vor. Die ersten Mikroskopieaufnahmen zeigen sowohl andere Korngrößen als auch andere Texturen der Körner. Die Korngröße und -textur ist aber wesentlich für das Verhalten der Bauteile wie zum Beispiel deren Zugfestigkeit oder Bruchdehnung. „Wenn wir nun das Kornwachstum durch die gezielte Auswahl an Prozessparametern und Strahlprofilen genau steuern können, lassen sich resultierende Bauteileigenschaften einstellen und so zum Beispiel besonders feste oder duktile Bauteilbereiche ohne zusätzliche Nachbehandlung erzeugen. Die Eigenschaften können durch geschickte Belichtungsstrategien auch innerhalb eines Bauteils variiert werden,“ erklärt Professorin Wudy die großen Vorzüge der Laserstrahlformung mittels Faserlaser und Ablenkeinheit.

Kritische Prozessbeschränkung bei Laser Powder Bed Fusion überwinden

„Die TUM, Optoprim, der deutsche Vertriebspartner von nLight-Lasern und Raylase haben hier ihre Kräfte gebündelt, um die kritischen Prozessbeschränkungen bei Laser LPBF-Anwendungen wie mangelnde Homogenität des Schmelzbades und reduzierte Produktionsgeschwindigkeit zu lösen“, betont Wolfgang Lehmann, Produktmanager bei Raylase, die Vorteile der außergewöhnlichen Kooperation. So entstehen bei herkömmlichen AM-Verfahren mit nur einem Single-Mode Laser eine Reihe von Mängeln, wie Keyhole-Bildung durch Überhitzung, zu geringe Tiefe der Schmelzspur, pulverfreie Zone um das erstarrte Schmelzbad (powder denudation zone) oder Ballen im Schmelzbad. Mit dem Kombi-Produkten, bestehend aus dem programmierbaren Faserlaser AFX-1000 von nLight und der Ablenkeinheit AM Module Next Gen mit Zoom-Achse von Raylase gehören diese Probleme der Vergangenheit an.

Dabei ist wichtig zu wissen: Beim Faserlaser AFX-1000 lässt sich die Intensitätsverteilung der Strahlquellen des Lasers, bestehend aus einem Single-Mode-Zentrums- und einem Ringstrahl im Handumdrehen von einem typischen Gauss-Profil auf sechs verschiedene ringförmige Profile umschalten. Die unterschiedlichen Leistungen der beiden übereinanderliegenden Laserstrahlen erzeugen einen homogenen Energieeintrag. Dabei werden Spritzer und Hitzerissen vermieden. Das ist beim sogenannten „Hatchen“, dem mäanderförmigen Abfahren der zu belichtenden Geometrien in der additiven Fertigung von zentraler Bedeutung. Denn hier geht es darum, bestimmte Flächenquadrate wie Schachbretter von der Fläche her aufzubauen.

Je breiter die Laserstrahlspur, desto schneller lassen sich diese befüllen und umso schneller läuft der Produktionsvorgang der Bauteile. Dabei sollten die Kanten des Werkstückes möglichst sauber sein. Sie können mit dem feinen Single-Mode-Strahl der Zentralfaser des Lasers sehr gut nachgearbeitet werden. Durch den variablen Einsatz von Single- und Ringmode-Modus erhöht sich die Produktivität bereits um das ca. 2,8-fache. Mit dem Zoom des AM Modules vergrößert sich die Schmelzspur auf die 5,5-fache Breite.

Maschinenbauer erweitern mit der flexiblen Strahlformung durch die zwei Produkte das Spektrum für das Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Bildquelle: TUM/LBAM

Programmierbarer Faserlaser mit Zoom-Optik kombiniert steigert den Nutzen

Die Möglichkeiten des programmierbaren Faserlasers verdoppeln sich noch in der Kombination mit der Zoom-Optik der Ablenkeinheit. Wolfgang Lehmann führt aus: „Wir können die Laserspuren mit sehr hoher Genauigkeit je nach Prozessfeldgröße mit bis zu < 5 µm positionieren. Eine sinnvolle Breite der Schmelzpfade hängt sehr stark von der Korngröße der Pulverteilchen ab. Diese liegt in der Regel zwischen 15 μm und 100 μm. Dementsprechend muss die Spotgröße angepasst werden. Mit dem AM-Module Next Gen lässt sich der Spotdurchmesser während des Prozesses stufenlos anpassen und damit auch hochdynamisch verdoppeln.“ Mit hochdynamischen Ablenkspiegeln kann die Ablenkeinheit zudem sehr schnell scharfe Ecken fahren. Für den „Hatching Prozess“ bietet die Ablenkeinheit einen integrierten Faserkollimator, ein ausgeklügeltes „Zoom-Achssystem“ zur dynamische Spotgrößeneinstellung sowie mannigfache Prozess-Monitoring-Möglichkeiten, um die Qualität zu überwachen. Konstante Spotgrößen und Leistungsdichten werden so an jedem Punkt im Prozessfeld sichergestellt.

Optimierte AM-Wertschöpfungskette beim Laser Powder Bed Fusion von Metallen

Damit steigern die beiden Produkte die AM-Wertschöpfungskette beim Laser Powder Bed Fusion von Metallen deutlich. Sie verschieben zumal auch bis dato feste Grenzen in der seriellen Produktion. Denn das Ziel in der Additiven Fertigung liegt schließlich darin, den Aufbauprozess der Bauteile zugleich zeiteffizient als auch qualitativ hochwertig zu organisieren.

Bild oben: Eine Kooperation für mehr Innovation (v.l.n.r.): Wolfgang Lehmann (Head of Product Management, Raylase), Christian Schröter (Sales Director Optoprim Germany GmbH), Philipp Schön (CEO, Raylase), Marc Schinkel (Application Engineer, Raylase), Jan Bernd Habedank (Leiter TCC, Raylase), Prof. Dr.-Ing. Katrin Wudy (TUM), Jonas Grünewald (Wissenschaftlicher Mitarbeiter TUM).

Weitere Informationen: https://www.raylase.de/de

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