Neues für 3D-Druck Neuartige Plattform sorgt für flexible Laserstrahlformung

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Das Fraunhofer-ILT hat eine neue Plattform entwickelt, mit der der additive Fertigungsprozess des Laser Powder Bed Fusion (LPBF) nun auch individuell optimiert werden kann.

Einige Studien haben bereits eindrucksvoll belegt, dass die Strahlformung beim LPBF die Effizienz und Produktivität dieses additiven Fertigungsverfahrens verbessern kann, wie Experten vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) vorausschicken. Derzeit würden in vielen LPBF-Prozessen Laser mit Leistungen von 300 bis 400 Watt eingesetzt. Der standardmäßig verwendete, Gaußglocken-förmige Laserstrahl habe jedoch seine Nachteile- Die starke Leistungskonzentration im Strahlzentrum etwa führt zu lokalen Überhitzungen und unerwünschtem Verdampfen des Materials. Auch leide die Stabilität des Prozesses, was die Bauteilqualität durch Spritzer und Poren beeinträchtigen könne. Das begrenzt die Skalierbarkeit des Verfahrens erheblich, sodass die in LPBF-Anlagen verfügbare Laserleistung – oft bis zu einem Kilowatt – für die meisten Materialien nicht ausgenutzt werden kann, wie die Forscher erklären. Das ILT und der Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme (TOS) der RWTH Aachen arbeiten deshalb gemeinsam an einem innovativen Testsystem, das die flexible Untersuchung komplexer Laserstrahlprofile in Leistungsklassen bis zwei Kilowatt ermöglicht. Das ermögliche maßgeschneiderte Laseranwendungen für industrielle Partner. Ziel dieser Plattform ist es, LPBF-Prozesse effizienter und prozesssicherer in die industrielle Fertigung zu integrieren.

Bisherige Chancen, den Prozess zu optimieren

Eine Möglichkeit, den Prozess zu beschleunigen, ist, mehrere Laser und Optiksysteme parallel einzusetzen. Die Kosten skalieren aber mindestens proportional zu der Anzahl der verbauten Systeme, muss man zugeben. Auch können diese Systeme in realen Anwendungen nicht immer homogen ausgelastet werden, wodurch nur eine unterproportionale Steigerung der Produktivität erreicht wird. Ein vielversprechender Ansatz ist deshalb eine Produktivitätssteigerung des Einzelstrahlprozesses, was dann auch auf Multistrahlsysteme übertragen werden kann. Vorangegangene Untersuchungen haben demnach gezeigt, dass schon einfache Strahlformungen mit rechteckigen, ringförmigen oder die Kombination zweier Gauß-Verteilungen vielversprechende Resultate bei der Bauteilqualität und der Prozessgeschwindigkeit erzeugen.

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LPBF-Prozess auf höherem Leistungsniveau

Doch das Potenzial komplexerer Strahlformen ist bisher weitgehend unerforscht. Simulationen könnten nur vage Hinweise auf das wirkliche Schmelzbadverhalten liefern. Das liege daran, dass die dafür notwendige Systemtechnik fehle. Das Geschehen ist einfach zu dynamisch und damit zu komplex. Das ändert sich nun durch die umfassenden Untersuchungen, die man am ILT begonnen hat. Eine aktuell im Aufbau befindliche Anlage, die mithilfe von LCoS-SLMs (Liquid Crystal on Silicon – Spatial Light Modulator) entsteht, soll die Untersuchung nahezu beliebiger Strahlprofile im LPBF-Prozess ermöglichen. Mit einer Laserleistung von bis zu zwei Kilowatt biete das innovative System eine Plattform zur Erprobung neuer Strahlformen bei sehr hohen Leistungen im LPBF-Prozess. Damit ließe sich die geeignete Systemtechnik für eine individuelle Gestaltung von LPBF-Aufgaben identifizieren. Zu sehen ist das Ganze übrigens auf der Formnext 2024 in Halle 11.

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