Additive Fertigung - Laser Powder Bed Fusion-Verfahren

 Um die bessere Qualität und die deutliche Erhöhung der Produktivität in der additiven Fertigung wissenschaftlich zu untermauern, untersucht derzeit Frau Prof. Dr.-Ing. Katrin Wudy, Expertin und Professorin für die laserbasierte Additive Fertigung die besondere Kombination aus Faserlaser AFX-1000 mit optischer Ablenkeinheit AM MODULE NEXT GEN 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 in den erzeugten Schliffbildern an,“ so Wudy. Auch wenn diese Untersuchungen noch fortgeführt werden, kann bereits festgestellt werden, dass die Zoom-Achse des AM MODULES von RAYLASE zu einer Verdoppelung des Spotdurchmessers bei optimaler Fokuslage ohne Beeinträchtigung der Single- sowie Ring-Mode Strahlform der sogenannten Kaustik führt. Verbunden mit den vielen Möglichkeiten des programmierbaren Faserlasers AFX-1000 von nLIGHT bieten sich damit außerordentliche neue Anwendungsbereiche durch die Erzeugung unterschiedlichster Strahlprofile.

„Beim pulverbettbasierten Schmelzen bzw. bei Schweißprozessen im Allgemeinen wachsen die einzelnen Körner beim Erstarren der Schmelze entgegen der Richtung des Wärmestroms. Durch die geänderten Schmelzspurgeometrien bei der Verwendung alternativer Strahlprofile liegt ein veränderter Wärmehaushalt vor. Dadurch sehen wir in den ersten Mikroskopieaufnahmen sowohl andere Korngrößen als auch andere Texturen der Körner. Die Korngröße und -textur sind mitverantwortlich für resultierende Bauteileigenschaften wie die Zugfestig- keit oder Bruchdehnung. Wenn wir nun das Kornwachstum durch die gezielte Auswahl an Prozessparametern und Strahlprofilen 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.“

„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.

„Unsere Motivation war es, mit einem neuartigen Faserlaser nicht nur typische Single-Mode-Strahlen zu erzeugen, sondern dessen Funktionen mit denen eines Ring-Mode-Lasers zu verbinden, um die Möglichkeiten zu vervielfachen und die Qualität des Schmelzbades zu verbessern. Das ist gelungen! Für den AM Bereich können wir mittels des Ring-Mode-Lasers ein besonders gleichförmiges Schmelzbad mit weniger Spritzern erzeugen. Das war so mit dem klassischen Single-Mode-Laser alleine nicht möglich,“ betont Christian Schröter von Optoprim Germany, der Deutschen Vertretung von nLIGHT Laser, die Vorteile des AFX-1000 Faserlaser.

Dabei kann 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 umgeschaltet werden. Die unterschiedlichen Leistungen der beiden übereinanderliegenden Laserstrahlen erzeugen einen äußerst attraktiven homogenen Energieeintrag bei Vermeidung von Spritzern und Hitzerissen. Das ist beim sogenannten „Hatchen“, dem mäanderförmigen Abfahren zu belichtender Geometrien in der Additiven Fertigung von zentraler Bedeutung. Denn hier geht es darum, bestimmte Flächenquadrate wie Schachbretter von der Fläche her aufzubauen bzw. zu belichten und aufzuschmelzen. Je breiter die Laserstrahlspur desto schneller können diese befüllt werden und umso schneller läuft der Produktionsvorgang der Bauteile. „Dabei sollten die Kanten des Werkstückes möglichst sauber sein und können mit dem feinen Single-Mode-Strahl der Zentralfaser des Lasers sehr gut nachgearbeitet werden,“ so Schröter. Durch den variablen Einsatz von Single- und Ringmode-Modus erhöht sich die Produktivität bereits um das ca. 2,8-fache. Zusammen allerdings sind sie unschlagbar. Mit dem Zoom des AM MODULES vergrößert sich die Schmelzspur auf die 5,5-fache Breite.

Beides bietet das Kombiprodukt. Mit seinen hochdynamischen Ablenkspiegeln vermag die Ablenkeinheit sehr schnell scharfe Ecken zu fahren. Für den „Hatching Prozess“ bietet das AM-MODULE NEXT GEN 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.
Die Folge: Eine gravierende Steigerung von Qualität und Produktivität.

Das AM-MODUL NEXT GEN für den fasergekoppelte Laser und insbesondere für den AFX-1000 zeichnet sich durch eine sehr homogene Leistungsdichte und niedrigste Driftwerte aus. Es erlaubt sehr schnelles Arbeiten mit flexiblen Spotdurchmessern. Die Ansteuerung erfolgt dabei absolut präzise, voll digital und modellbasierend. Bis zu 4 Laserköpfe lassen sich über einem Baufeld parallel betreiben. Ein direkter Anschluss einer Fotodiode oder eines Pyrometers zur Prozesskontrolle ist möglich.

Das Modul steht in 2 Varianten zur Verfügung, als Standard-Modul sowie als High Performance-Modul mit voll-digitalen Ablenkeinheiten. Das High Performance-Modul ist prädestiniert für die Fertigung höchstpräziser Bauteile,
die besondere Sicherheitsanforderungen erfüllen müssen. Diese Ausführung ist besonders für Anwender aus der
Luft- und Raumfahrt, aus der Automobilindustrie und der Medizintechnik interessant.

Professorin Wudy wagt eine Prognose für die Zukunft: „Durch die Kombination des AM Moduls von RAYLASE mit dem programmierbaren ringförmigen Strahlprofilen des AFX-1000 Lasers von nLIGHT wird die Additive Fertigung mit Metallen geradezu revolutioniert. Dieser Ansatz gibt uns die Möglichkeit, Strahlformungskonzepte zu skalieren und so die laserbasierte Bearbeitung im Hinblick auf schnellere und optimierte Prozess-bedingungen durch ruhigere und gleichzeitig größere Schmelzbäder anzupassen.“