Ein neuer Ansatz in der Strahlformung soll die additive Fertigung flexibler und effizienter machen. Im Zentrum steht die Optimierung von Prozessen der Laser Powder Bed Fusion.
Mit der aktuell im Aufbau befindlichen Anlage sollen sich nahezu beliebige Strahlprofile im LPBF-Prozess erzeugen lassen.
Fraunhofer ILT, Aachen
Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT hat eine Plattform entwickelt, mit der sich Prozesse nach der 3-D-Druckmethode Laser Powder Bed Fusion (LPBF) individuell optimieren lassen. Die dabei maßgeschneiderten Strahlprofile sollen die Bauteilqualität verbessern, Materialverluste reduzieren und Skalierungen der Aufbaurate des Einzelstrahlprozess ermöglichen. Zusammen mit dem Lehrstuhl Technologie Optische Systeme (TOS) der RWTH Aachen arbeitet Fraunhofer ILT nun an einem Testsystem, das die flexible Untersuchung komplexer Laserstrahlprofile in Leistungsklassen bis 2 kW ermöglichen soll. Ziel dieser Plattform sei es, so Fraunhofer ILT, LPBF-Prozesse effizienter und robuster in die industrielle Fertigung zu integrieren.
Aktuell kommen in vielen LPBF-Prozessen Laserleistungen von etwa 300 bis 400 W zum Einsatz. Der standardmäßig verwendete gaußförmige Laserstrahl bringt jedoch Nachteile mit sich: Laut Fraunhofer ILT führt die Leistungskonzentration im Strahlzentrum zu lokalen Überhitzungen und unerwünschter Materialverdampfung sowie zu Prozessinstabilitäten, die die Bauteilqualität durch Spritzer und Poren beeinträchtigen können. Das begrenze die Skalierbarkeit des Verfahrens erheblich, sodass die in LPBF-Anlagen verfügbare Laserleistung – oft bis zu 1 kW – für die meisten Materialien nicht ausgenutzt werden könne.
Komplexere Strahlformen bislang unerforscht
Einen Ansatz sehen Fraunhofer ILT und der Lehrstuhl TOS in einer Produktivitätssteigerung des Einzelstrahlprozess, der auch auf Multistrahlsysteme übertragen werden kann. Vorangegangene Untersuchungen hätten gezeigt, dass schon einfache Strahlformungen mit rechteckigen, ringförmigen oder die Kombination zweier gaußförmiger Verteilungen vielversprechende Resultate bei der Bauteilqualität und der Prozessgeschwindigkeit erzeugen. Das Potenzial komplexerer Strahlformen sei bislang weitgehend unerforscht, da die dafür notwendige Systemtechnik fehlte. Das soll sich durch das neue Testsystem ändern.
"Die Laserstrahl/Material-Interaktion im Prozess ist durch ihre Dynamik so komplex, dass Simulationen nur Hinweise auf das tatsächliche Schmelzbadverhalten geben können", sagt Marvin Kippels, Doktorand der Abteilung Laser Powder Bed Fusion am Fraunhofer ILT Kippels baut aktuell eine neuartige Anlage auf, die mithilfe von räumlichen Lichtmodulatoren, die auf der Flüssigkristall-auf-Silizium-Technologie basieren (LCoS SLM: Liquid Crystal on Silicon Spatial Light Modulator), die Untersuchung nahezu beliebiger Strahlprofile im LPBF-Prozess ermöglichen soll.
Fraunhofer ILT stellt das derzeit im Aufbau befindliche Testsystem vom 19. bis 22. November auf der Formnext in Frankfurt am Main vor, am Fraunhofer-Gemeinschaftstand D31 in Halle 11.
