Laser Powder Bed Fusion (L-PBF)

 

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF)

Selective Laser Melting

Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Auflösung der Dichotomie zwischen der Massenfertigung auf der einen und der individualisierten Einzelteilfertigung auf der anderen Seite. Additive Manufacturing (AM) wie das Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) kann dazu beitragen, individualisierte Bauteile zu annähernd den Kosten der Massenfertigung herzustellen. Das Fertigungsprinzip von generativen Fertigungsverfahren basiert auf dem schichtweisen Aufbau aus bspw. metallischen Pulvern. Im Gegensatz zu Sinterverfahren wird der pulverförmige Basiswerkstoff beim L-PBF mittels Laserstrahlung komplett aufgeschmolzen. Das Ergebnis sind 100 % dichte Bauteile mit serienidentischen Eigenschaften. Dabei werden weder Werkzeuge noch Formen wie bei konventionellen Fertigungsverfahren (z. B. Druckguss) benötigt. Für generative Fertigungsverfahren ergeben sich gegenüber konventioneller Fertigungsverfahren unterschiedliche Kostenkurven. Bauteile mit kleinen Stückzahlen können durch niedrigere „Einstiegskosten“ oft kostengünstiger mit L-PBF als konventionell hergestellt werden. Darauf aufbauend ist die Entwicklung neuer Geschäftsmodelle mit einem hohen Individualisierungsgrad möglich („Individualization for free“). Die Kosten von L-PBF-Bauteilen sind im Gegensatz zur konventionellen Fertigung unabhängig von der Komplexität der Bauteile, da Fertigungszeit und -aufwand ausschließlich vom aufzubauenden Volumen abhängen („Complexity for free“). Innovative Produkte mit zuvor undenkbaren Funktionalitäten sind mit Hilfe von generativen Verfahren wie dem L-PBF realisierbar.

 

Praxisproblem

Funktionsoptimierter Rim-Support

Verfügbare L-PBF-Anlagen der namhaften Hersteller wie z. B. EOS, SLM Solutions, Realizer und Concept Laser sind seitens der Prozessproduktivität begrenzt. Durch eine Steigerung der Laserleistung von 200 W auf 1 kW und der Entwicklung eines Zweistrahlkonzeptes zur Umsetzung des Hülle-Kern-Prinzips konnte in der ersten Phase des Exzellenzclusters eine Steigerung der Prozesseffizienz um den Faktor 10 erreicht werden. Beim Hülle-Kern-Prinzip kann mit Hilfe einer Strahlweiche während des Prozesses zwischen zwei Laserstrahlen (Fokusdurchmesser 200 μm und 1 mm) umgeschaltet werden. Bei der Hülle-Kern Scanstrategie wird die Kontur des aufzubauenden Bauteils mit einem Laserfokus von 200 μm und kleinen Schichtdicken (ca. 50 μm) aufgebaut, um eine hohe Genauigkeit, Oberflächengüte und Detailauflösung der Bauteile zu gewährleisten. In den Kern-Bereichen, in denen lediglich das Volumen ausgefüllt werden soll, werden mit einem Laserfokus von 1 mm und Schichtdicken >200 μm gearbeitet, um die Aufbaurate zu steigern, ohne die Qualität der Bauteile negativ zu beeinflussen. In der Praxis fehlen jedoch zum jetzigen Zeitpunkt Erkenntnisse über den Einsatz von Laserleistungen >1 kW bei Anwendung des Hülle-Kern-Prinzips beim L-PBF. Der Aufwand für die Prozessvorbereitung und -nachbereitung beim L-PBF treibt die Prozessnebenzeiten in die Höhe, die wiederum die Effizienz des L-PBF-Prozesses negativ beeinflussen. Außerdem ist die Auslastung des Lasers bestehender L-PBF-Anlagen aufgrund der zeitlichen Trennung von Beschichtung und Belichtung begrenzt. Eine 100 % Laserauslastung kann derzeit kein Anlagensystem erzielen. Mechanische Kennwerte zum Verhalten von generativ gefertigten Gitterstrukturen unter unterschiedlichen Belastungen sind nur stark eingeschränkt verfügbar. Das enorme Potenzial zur Funktionsoptimierung von Bauteilen durch die Integration von Gitterstrukturen (siehe Bild rechts) kann deshalb momentan nicht annährend genutzt werden.

 

Lösungsidee

Overall concept of the SLM-machine (CAD model)

Die Lösungsidee basiert auf der ganzheitlichen Analyse des SLM-Prozesses und der Entwicklung einer Referenz-Architektur für „form-werkzeuglose“ Produktionssysteme. Dieser ganzheitliche Ansatz ist notwendig, um das SLM für die Serienproduktion nutzbar zu machen. Zur Verbesserung der SLM-Anlagentechnik werden ohne die Qualität der Bauteile negativ zu beeinflussen in einem systematischen Ansatz verschiedene Konzepte für die einzelnen Module einer SLM-Anlage entwickelt und bewertet. Die Integration der einzelnen Module in ein Gesamtsystem (siehe Bild links) soll das Ziel einer nahezu 100 % Laserauslastung bei minimalen Prozessnebenzeiten ermöglichen. Das neue Belichtungskonzept sieht vor, bereits während der Beschichtung aufgetragenes Pulver zu belichten („on-the-fly“-Belichtung). Des Weiteren ist die Parallelisierung mehrerer Laserstrahlquellen mit einem Überlappbereich geplant, die auf die Verkürzung der Hauptzeiten des SLM Prozesses abzielt. Durch ein innovatives Prozesskammerdesign soll die Handhabung der SLM-Anlage erleichtert werden. Für die Prozesskammer wurden mehrere Konzeptlösungen erarbeitet und ein „Schienensystem“ identifiziert, das die Handhabung erheblich verbessert.

 

Multi-Spot-Anlagenkonzept

Multi-Spot Urheberrecht: Lehrstuhl für Lasertechnik LLT

Ein zweites, scanner-loses Anlagensystem, das mit einem Multi-Dioden-Array auf bewegbaren Achsen ausgestattet ist, befindet sich derzeit in der Erprobung. Bei der Euromold 2014 konnte das Multi-Spot-Anlagenkonzept erstmalig erfolgreich präsentiert werden. Die wirtschaftliche Verwertung und Kommerzialisierung des Multi-Spot-Anlagenkonzepts mit interessierten Industriepartnern ist derzeit in Planung. Des Weiteren wird durch ein am Fraunhofer ILT entwickeltes Kostenmodell die Auslegung von anwendungsspezifischen Anlagenkonzepten ermöglicht. Das Modell berücksichtigt die Kostentreiber der generativen Fertigung und so kann die optimale Anlagenstruktur bestimmt werden, um Bauteile kostengünstig herzustellen. Das Kostenmodell liefert einen großen Beitrag zur Aachener Produktionstheorie.

 

Technische Herausforderungen

Die technischen Herausforderungen liegen in der Entwicklung und der Ausgestaltung innovativer Konzepte für die Einzelmodule des Anlagenkonzeptes, um eine 100 %ige Laserauslastung bei minimalen Nebenzeiten zu erreichen. Der Neuheitsgrad der Konzepte bspw. des Belichtungskonzepts (Multistrahlkonzept) des neuen SLM-Anlagensystems macht darüber hinaus eine angepasste Prozessführung notwendig, die durch innovative Steuerungssoftware und Maschinenkomponenten realisiert werden soll.