Mit Hilfe eines grünen Lasers sollen sich auch Bauteile aus reinem Kupfer additiv fertigen lassen.
Fraunhofer ILT, Aachen
Das Selective Laser Melting (SLM), auch bekannt als Laserstrahlschmelzen oder Laser-Powder Bed Fusion (L-PBF), hat sich als additives pulverbettbasiertes Fertigungsverfahren bereits in unterschiedlichen Branchen wie Medizintechnik, Turbomaschinenbau, Luft- und Raumfahrt oder dem Automobilbau bewährt. Aktuell lassen sich damit in erster Linie Stähle, Titan- und Aluminiumlegierungen sowie Nickel- und Kobaltlegierungen verarbeiten. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT aus Aachen will SLM im Rahmen eines Forschungsprojektes weiterentwickeln, damit es sich besser für die additive Fertigung von Bauteilen aus reinem Kupfer und Kupferlegierungen eignet.
Reines Kupfer reflektiert bei der sonst üblichen Wellenlänge von circa 1 µm je nach Oberflächeneigenschaften den überwiegenden Teil der Laserstrahlung. Es wird daher nur ein sehr geringer Teil der eingestrahlten Energie in den Werkstoff eingekoppelt, der dann für den Schmelzprozess zur Verfügung steht. Die reflektierte Laserstrahlung kann die Komponenten der Anlage schädigen. Hinzu kommt, dass der Absorptionsgrad bei infrarotem Licht sprunghaft beim Übergang des Werkstoffs vom festen in den flüssigen Zustand ansteigt und so für einen instabilen und diskontinuierlichen Umschmelzprozess sorgt. Bei grünem Laserlicht mit der Wellenlänge von 515 nm liegt der Absorptionsgrad von Kupfer um ein Vielfaches höher. Hier würde ein Laser mit einer deutlich niedrigeren Ausgangsleistung ausreichen. Außerdem ließe sich der Laserstrahl schärfer bündeln, so dass mit dem neuen SLM-Verfahren wesentlich filigranere Bauteile hergestellt werden könnten. Weil es am Markt keine entsprechende grüne Strahlquelle gibt, die den Randbedingungen für den SLM-Prozess genügt, baut die Abteilung Strahlquellenentwicklung des Fraunhofer ILT den Laser selbst.
Geplant ist ein Laser für den sogenannten Singlemode-Betrieb, der mit einer maximalen Leistung von 400 Watt im kontinuierlichen Betrieb mit grüner Wellenlänge (515 nm) in sehr guter Strahlqualität arbeitet. Bis Ende 2017 soll ein Laboraufbau einer Anlage entstehen, mit dem die Aachener die Prozesse im Rahmen des Forschungsprojektes weiterentwickeln können. Das Ziel ist ein stabiler Prozess, mit dem industrielle Anwender komplexe Geometrien mit Hohlstrukturen und Hinterschnitten aus Reinkupfer direkt additiv herstellen können. Infrage kommt es unter anderem für hocheffiziente Wärmetauscher und Kühlkörper oder für die Kleinserienproduktion von filigranen und komplexen elektrischen Bauteilen.