Höhere Bauteile aus der Laserstrahlschmelze

  • 05. November 2018

Neues Verfahren ermöglicht Fertigung mit weniger thermisch induzierten Spannungen.

Additive Fertigungs­verfahren sind stark im Kommen. Das Fraun­hofer-Institut für Lasertechnik ILT zeigt kommende Woche in Zusammen­arbeit mit dem Lehrstuhl für Tech­nologie Optischer Systeme TOS der RWTH Aachen auf der Fachmesse „formnext 2018“ in Frankfurt ein neues Verfahren, bei dem das Bauteil im Pulver­bett mit Laser­dioden erhitzt wird. Dadurch tritt weniger Verzug auf, höhere Teile lassen sich gene­rieren und neue Werkstoffe werden möglich.

Abb.: Additive Fertigung: Das mit Lasern vorgewärmte Bauteil (re.) weist deutlich weniger Verzug auf als das für den Belichtungsprozess nicht vorgewärmte Bauteil. (Bild: Fh.-ILT)

Abb.: Additive Fertigung: Das mit Lasern vorgewärmte Bauteil (re.) weist deutlich weniger Verzug auf als das für den Belichtungsprozess nicht vorgewärmte Bauteil. (Bild: Fh.-ILT)

Die Aachener Wissen­schaftler nutzten additive Vefahren für die Effizienz­steigerung über Anlagen­konzepte, die Prozess­entwicklung oder auch der Quali­fizierung neuer Materialien. So lassen sich über Laserstrahl­schmelzen Teile mit weniger thermisch induzierten Spannungen und weniger Verzug aufbauen als mit konven­tioneller Prozess­technik. Die Spannungen entstehen durch Temperatur­unterschiede im generierten Bauteil: Im Laserspot herrschen Tempera­turen oberhalb des Schmelz­punktes, während der Rest des Bauteils rasch abkühlt. Je nach Geometrie und Werkstoff kann es dadurch sogar zu Rissen im Material kommen. Um dies zu vermeiden, wird üblicher­weise das Bauteil von unten über die Substrat­platte geheizt. Gerade bei höheren Aufbauten reicht das aber nicht.

Im Rahmen des Forschungs­campus Digital Photonic Production DPP, erarbeiten die Experten gemeinsam mit dem Partner Philips Photonics Lösungen für diese Aufgaben­stellung. Im Verbundprojekt DPP Nano entwickelten sie einen Aufbau, bei dem das Bauteil von oben erwärmt wird. Dafür wird ein Array von sechs vertikal emit­tierenden Laser­barren (VCSEL) mit je 400 Watt Leistung in der Prozess­kammer installiert. Mit Infrarot­strahlung bei 808 Nanometer Wellen­länge kann dieses Array das Bauteil während des Aufbau­prozesses von oben auf mehrere hundert Grad Celsius erhitzen. Die Barren werden einzeln ange­steuert, so dass auch Abfolgen verschiedener Muster möglich sind. Der Prozess wird dabei mit einer Infrarot­kamera überwacht. Nun haben die Aachener Forscher Teile aus Inconel® 718 aufgebaut und einen deutlich verrin­gerten Verzug nachgewiesen. Das Bauteil wurde dabei konti­nuierlich auf 500 °C erhitzt.

Durch die VCSEL-Heizung verringert sich der ther­mische Gradient, somit auch die Spannungen und es lassen sich höhere Teile herstellen. Noch interes­santer sind die Möglich­keiten, die sich für besonders schwierige Werkstoffe ergeben. So sollen als nächstes Bauteile aus Titan-Aluminiden hergestellt werden. Dafür wird das Bauteil auf etwa 900 °C erhitzt. Solche Teile kommen zum Beispiel im Heißgas­bereich von Turbo­ladern vor. Neben dem Turbo­maschinenbau eröffnet das Verfahren aber auch neue Perspektiven für andere indus­trielle Bereiche, wo thermisch indu­zierte Spannungen bei additiven Fertigungs­verfahren reduziert werden sollen.

Fh.-ILT / JOL

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