Das pulverbettbasierte Laserschmelzen kommt in der Fertigung von Turbomaschinenkomponenten oder in der Medizintechnik immer öfter zum Einsatz. Um die Referenzierung zwischen den Prozessschritten zu vereinfachen und die Genauigkeit zu verbessern, haben Forscher des Fraunhofer IPT ein Spann- und Referenziersystem entwickelt.
Mit additiven Fertigungsverfahren lassen sich sehr komplexe Bauteile flexibel herstellen. Ein häufig eingesetztes Verfahren ist hier das pulverbettbasierte Laserschmelzen, kurz L-PBF für Laser Powder Bed Fusion. Aufgebaut wird ein L-PBF-Werkstück auf einer sogenannten Substratplatte. Mit dem neuen Spann- und Referenziersystem vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT lassen sich L-PBF-Werkstücke nun an konventionellen Maschinen weiterbearbeiten, ohne dass sie vorher durch mechanische Verfahren wie Sägen oder Drahterodieren von der Substratplatte gelöst werden müssen, um dann in einem Spannsystem fixiert zu werden. Das Lösen birgt immer die Gefahr, dass sich das Bauteil aufgrund innerer Spannungen verformt. Zudem ist das exakte Referenzieren und Spannen auf konventionellen Maschinen umso schwieriger, je komplexer die Geometrie eines Bauteils ist.
Wiederverwendbare Substratplatte ermöglicht schnelleres Spannen und Referenzieren
Das neue System basiert auf einer wiederverwendbaren, keramikbeschichteten Substratplatte aus Hochtemperaturstahl, in die Zylinderstifte mit einem Durchmesser von fünf Millimetern eingelassen sind. Die Stifte dienen zur Verbindung des Bauteils mit der Substratplatte und können individuell bewegt und gelöst werden. Die Keramikbeschichtung verhindert, anders als bei herkömmlichen Substratplatten, dass die ersten Aufbauschichten des Werkstücks direkt auf das Spannsystem aufgebracht werden. Nach Abschluss des schichtweisen Aufbaus kann das Werkstück einfach auf der Substratplatte zum nächsten Arbeitsschritt transportiert werden. Das Referenzieren und Spannen des Substratplattensystems erfolgt automatisch durch ein Nullpunkt-Spannsystem auf der Unterseite. Nach dem Ende der Bearbeitung werden die Verbindungsstifte einfach gelöst. Die Stifte lassen sich kostengünstig ersetzen, während das Substratplattensystem weiterverwendet werden kann.
Durch das Nullpunkt-Spannsystem gelingt erstmals eine Standardisierung des Spann- und Referenzierungsprozesses über die gesamte Prozesskette hinweg. Der Aufwand zur Entnahme des Werkstücks verringert sich, wodurch sich Nebenzeiten verkürzen und der Automatisierungsgrad der Fertigung steigt. Sind im Bauteil Eigenspannungen vorhanden, können nach der L-PBF-Fertigung die Verbindungsstifte gelöst werden, um gezielt Bauteilverformungen zuzulassen und Risse zu verhindern. Nachfolgende Bearbeitungsschritte können dann eigenspannungsfrei durchgeführt werden.