Durchbruch Forschung verbessert den 3D-Druck für Metalle

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Fertigungsrate versechsfacht, 50 Prozent weniger Kosten, Energieverbrauch und Materialausschuss deutlich reduziert und auch noch bessere Bauteilqualität – das sei die Bilanz der Forschungsergebnisse des EU-Projektes „InShaPe“.

Obwohl die pulverbettbasierte additive Fertigung von Metallen mittlerweile für die Herstellung komplexer Metallbauteile etabliert ist, sorgen starre Laserstrahlprofile und unzureichende Prozessüberwachungsmethoden oft für Probleme beim Schmelzvorgang. Dabei drohen Materialfehler und Produktionsstopps. Das verursacht Ausschuss und erhöht den Energiebedarf sowie damit die Produktionskosten. Aber die am Projekt „InShaPe“ beteiligten Spezialisten haben in den letzten drei Jahren einen neuen Ansatz zur Prozessoptimierung entwickelt, der die KI-gesteuerte Laserstrahlformung mit multispektraler Bildgebung (MSI) beim pulverbettbasierten Schmelzen von Metallen (PBF-LB/M) kombiniert. Das Ziel des Projektes war es, Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit dieses additiven Fertigungsverfahrens deutlich zu verbessern, was wohl geklappt hat und gleich mit fünf anspruchsvollen Demonstratoren aus der Luft- und Raumfahrt, dem Energiesektor und dem Maschinenbau bewiesen wurde.

KI-Strahlformung und multispektrale Bildgebung

Den Projektpartnern ist es demnach gelungen, die Produktivität des PBF-LB/M-Prozesses erheblich zu steigern. Bei verschiedenen industriellen Anwendungen erreichte man Produktivitätssteigerungen von über 600 Prozent (6,2 mal mehr als üblich) – einschließlich Fertigungsraten von bis zu 93,3 Kubikzentimeter pro Stunde (bei Inconel-718-Bauteilen), wobei die Fertigungskosten halbiert wurden. Zur Demonstration des Erfolgs wurden ein Impeller für die Luft- und Raumfahrt (Inconel 718) hergestellt, ein industrielles Gasturbinenteil (Inconel 718), ein Teil einer Raumfahrtbrennkammer (CuCrNb), ein Zylinderkopf eines Kettensägenmotors (AlSi10Mg) und Komponenten von Satellitenantennen. Die „intelligente“ Strahlformung nebst multispektraler Bildgebung arbeiteten dabei eng zusammen, um den additiven Fertigungsprozess deutlich zu verbessern. Das Laserstrahlprofil wird etwa bauteilspezifisch angepasst, wobei Geometrie und Material gezielt berücksichtigt werden. Das verbessere die Qualität des Bauteils und ermögliche eine schnellere Verarbeitung, weil Fehler wie Risse oder Spritzer und Kondensatbildung reduziert werden, die sonst Nacharbeit oder Ausschuss verursachten. Als besonders vorteilhaft für vielfältige Anwendungen habe sich ein ringförmiges Strahlprofil in Verbindung mit optimierten Scanning-Strategien erwiesen. Dabei wird die Laserenergie über eine ringförmige Intensitätsverteilung eingebracht, um so das Schmelzbad zu erzeugen, was den Druckprozess optimiert, wie es dazu heißt.

Nie mehr lästige Unterbrechungen beim 3D-Druck

Parallel dazu erfasst die neue multispektrale Bildgebung Signale in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen und überwacht den PBF-LB/M-Prozess in Echtzeit. So lassen sich thermische Veränderungen im Schmelzbad frühzeitig erkennen. Die erfassten Daten fließen direkt in die Prozessregelung ein. Fehler, die früher zu Produktionsunterbrechungen oder Nacharbeit führten, können nun behoben werden, wodurch der Prozess ohne große Verzögerungen weiterlaufen kann. Insgesamt markiere dieser innovative Ansatz einen wichtigen Fortschritt auf dem Weg zur industriellen Serienfertigung mit PBF-LB/M. Denn das Zusammenspiel von Strahlformung und MSI-basierter Prozesssteuerung führe zu einem stabileren Schmelzverlauf, reduziere Fehlerquellen und ermögliche einen gezielteren, ressourcenschonenderen Energieeinsatz. Im Endeffekt lassen sich komplexe Metallbauteile schneller, billiger und nachhaltiger produzieren, ohne Einbußen in Sachen Qualität.

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