Höhere Bauteile aus der Laserstrahlschmelze
Neues Verfahren ermöglicht Fertigung mit weniger thermisch induzierten Spannungen.
Additive Fertigungsverfahren sind stark im Kommen. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT zeigt kommende Woche in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme TOS der RWTH Aachen auf der Fachmesse „formnext 2018“ in Frankfurt ein neues Verfahren, bei dem das Bauteil im Pulverbett mit Laserdioden erhitzt wird. Dadurch tritt weniger Verzug auf, höhere Teile lassen sich generieren und neue Werkstoffe werden möglich.
Abb.: Additive Fertigung: Das mit Lasern vorgewärmte Bauteil (re.) weist deutlich weniger Verzug auf als das für den Belichtungsprozess nicht vorgewärmte Bauteil. (Bild: Fh.-ILT)
Die Aachener Wissenschaftler nutzten additive Vefahren für die Effizienzsteigerung über Anlagenkonzepte, die Prozessentwicklung oder auch der Qualifizierung neuer Materialien. So lassen sich über Laserstrahlschmelzen Teile mit weniger thermisch induzierten Spannungen und weniger Verzug aufbauen als mit konventioneller Prozesstechnik. Die Spannungen entstehen durch Temperaturunterschiede im generierten Bauteil: Im Laserspot herrschen Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes, während der Rest des Bauteils rasch abkühlt. Je nach Geometrie und Werkstoff kann es dadurch sogar zu Rissen im Material kommen. Um dies zu vermeiden, wird üblicherweise das Bauteil von unten über die Substratplatte geheizt. Gerade bei höheren Aufbauten reicht das aber nicht.
Im Rahmen des Forschungscampus Digital Photonic Production DPP, erarbeiten die Experten gemeinsam mit dem Partner Philips Photonics Lösungen für diese Aufgabenstellung. Im Verbundprojekt DPP Nano entwickelten sie einen Aufbau, bei dem das Bauteil von oben erwärmt wird. Dafür wird ein Array von sechs vertikal emittierenden Laserbarren (VCSEL) mit je 400 Watt Leistung in der Prozesskammer installiert. Mit Infrarotstrahlung bei 808 Nanometer Wellenlänge kann dieses Array das Bauteil während des Aufbauprozesses von oben auf mehrere hundert Grad Celsius erhitzen. Die Barren werden einzeln angesteuert, so dass auch Abfolgen verschiedener Muster möglich sind. Der Prozess wird dabei mit einer Infrarotkamera überwacht. Nun haben die Aachener Forscher Teile aus Inconel® 718 aufgebaut und einen deutlich verringerten Verzug nachgewiesen. Das Bauteil wurde dabei kontinuierlich auf 500 °C erhitzt.
Durch die VCSEL-Heizung verringert sich der thermische Gradient, somit auch die Spannungen und es lassen sich höhere Teile herstellen. Noch interessanter sind die Möglichkeiten, die sich für besonders schwierige Werkstoffe ergeben. So sollen als nächstes Bauteile aus Titan-Aluminiden hergestellt werden. Dafür wird das Bauteil auf etwa 900 °C erhitzt. Solche Teile kommen zum Beispiel im Heißgasbereich von Turboladern vor. Neben dem Turbomaschinenbau eröffnet das Verfahren aber auch neue Perspektiven für andere industrielle Bereiche, wo thermisch induzierte Spannungen bei additiven Fertigungsverfahren reduziert werden sollen.
Fh.-ILT / JOL
