Hohe Bauteilqualität und höchste Aufbauraten: Beides zusammen kann das selektive Laserschmelzen bislang nicht liefern. Eine neue Energiequelle soll diesen Zielkonflikt nun überwinden.
Das an der TU Graz entwickelte Verfahren schmilzt Metallpulver mittels Hochleistungs-LED-Lichtquellen auf
TU Graz
Das selektive Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) gilt unter den metallbasierten Verfahren der additiven Fertigung als das bedeutendste. Kein Wunder, sind im SLM-Verfahren erzeugte Bauteile doch ähnlich belastbar und temperaturbeständig wie Teile aus Metallguss. Die Stahl-, Titan- oder Aluminiumpulver werden in dem Verfahren durch einen Laser zu soliden Strukturen mit nahezu hundertprozentiger Dichte verarbeitet. Die fertigen Bauteile weisen weder Poren noch Risse auf, wie Springer-Autor Jens Ilg im Kapitel Additive Fertigungsverfahren erläutert.
Obwohl das selektive Laserschmelzen mittlerweile in vielen Industriebereichen eingesetzt wird, kommt es jedoch an technische Grenzen, insbesondere wenn es hin zu höheren Fertigungsgeschwindigkeiten skaliert werden soll, wie die Autoren um Johannes Henrich Schleifenbaum im Kapitel Future AM im Buch Biologische Transformation beschreiben. Zwar bestehen verschiedene Möglichkeiten zur Steigerung der Aufbaurate, etwa das Parallelschalten mehrerer Laserstrahlquellen oder die Erhöhung der Laserleistung in einen Bereich von mehreren Kilowatt, allerdings sind diese teuer erkauft. Denn in dem Maße, wie die Laserleistung steigt, nimmt die Prozessstabilität ab. Materialspritzer und die veränderte Dynamik der Schmelze in Abhängigkeit vom Schmelzvolumen führen unweigerlich zu Bauteilen geringerer Qualität. Zudem amortisieren die höheren Stückzahlen einer so beschleunigten Fertigung kaum die Mehrkosten für die höhere Laserleistung.
Ähnlich verhält es sich für das dem selektiven Laserschmelzen ähnliche Elektronenstrahlschmelzen (Electron-Beam Melting, EBM), bei dem anstelle des Laserstrahls ein Elektronenstrahl das Metallpulver aufschmilzt.
Großvolumige Metallbauteile zügig in hoher Qualität fertigen
Wissenschaftler der Technischen Universität Graz berichten nun von einer neuen Technologie, mit der sie den Zielkonflikt der SLM- und EBM-Verfahren überwinden. Dazu verwenden sie Hochleistungs-LED-Licht anstelle einer Laser- oder Elektronenstrahlquelle. Die Forscher wollen damit großvolumige Metallbauteile zügiger fertigen, während die aufwendige manuelle Nachbearbeitung entfällt.
In dem Selective LED based Melting (SLEDM) genannten Verfahren nutzen die Forscher speziell adaptierte und mit einem komplexen Linsensystem ausgestattete Leuchtdioden. Dadurch kann der Durchmesser des LED-Fokus während des Schmelzvorgangs zwischen 0,05 und 20 Millimetern verändert werden kann, wie die Wissenschaftler weiter berichten. Das ermögliche das Schmelzen größerer Volumina pro Zeiteinheit, ohne auf filigrane Innenstrukturen verzichten zu müssen. Bauteile für Brennstoffzellen oder die Medizintechnik ließen sich damit im Durchschnitt um den Faktor 20 schneller fertigen.
Anwendung für Brennstoffzellen oder Medizintechnik
Erstmals findet das neue Verfahren voraussichtlich in der Medizintechnik Anwendung. Dabei sollen Metall-Implantate produziert werden, die sich nach einer gewissen Zeit im Körper auflösen. Beispiele dafür sind Schrauben aus Magnesium-Legierungen zur Behandlung von Knochenbrüchen. Weitere Anwendungen sehen die Wissenschaftler in der Fertigung von Bauteilen wie Bipolarplatten für Brennstoffzellen oder Komponenten für Batteriesysteme.