Metall-3D-Druck Flexible Laserstrahlformung erweitert das Laserschmelzen

Quelle: Raylase

Durch das Zusammenspiel von programmierbarem Faserlaser und optischer Ablenkeinheit kann die Produktivität des Laserstrahlschmelzens erhöht und gleichzeitig die Mikrostruktur der Metallbauteile verbessert werden. Auch lokale Bauteileigenschaften sind durch geschickte Belichtungsstrategien möglich.

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Maschinenbauer können mit der flexiblen Strahlformung durch die zwei Komponenten Faserlaser und Ablenkeinheit das Spektrum für das Laser Powder Bed Fusion (LPBF) erweitern. Durch den hochdynamischen Zugriff auf sieben unterschiedliche Strahlqualitäten und eine exakte Strahlkontrolle kann die Qualität und Produktivität um ein Vielfaches verbessert werden.
Maschinenbauer können mit der flexiblen Strahlformung durch die zwei Komponenten Faserlaser und Ablenkeinheit das Spektrum für das Laser Powder Bed Fusion (LPBF) erweitern. Durch den hochdynamischen Zugriff auf sieben unterschiedliche Strahlqualitäten und eine exakte Strahlkontrolle kann die Qualität und Produktivität um ein Vielfaches verbessert werden.
(Bild: Raylase)

Die Lasertechnologie nimmt einen großen Bereich in der additiven Fertigung ein. Für das LPBF(Laser Powder Bed Fusion)-Verfahren bietet ein neuer Laser mit flexibel umschaltbarer Single- und Ring-Mode-Funktion unterschiedliche Strahlqualitäten von fein zu breit. Die Kombination mit einer optischen Ablenkeinheit mit Zoom-Achse soll nun den AM-Bereich revolutionieren und Probleme wie mangelnde Homogenität des Schmelzbades sowie reduzierte Produktionsgeschwindigkeit lösen. Die TU München, der deutsche Vertriebspartner von N-Light-Lasern Optoprim und Ablenkeinheit-Hersteller Raylase haben dafür eine Kooperation gestartet.

Untersuchungen an der TUM München

Derzeit untersucht Frau Prof. Dr.-Ing. Katrin Wudy, Expertin und Professorin für die laserbasierte Additive Fertigung die besondere Kombination aus Faserlaser AFX-1000 von N-Light und optischer Ablenkeinheit AM Module Next Gen von Raylase an der TU München. Im Fokus ihrer Untersuchungen stehen dabei der Einfluss des Strahlprofils auf die Mikrostrukturausbildung. „Durch die geänderten Schmelzspurgeometrien bei der Verwendung alternativer Strahlprofile liegt ein veränderter Wärmehaushalt vor. Die ersten Mikroskopieaufnahmen zeigen sowohl andere Korngrößen als auch andere Texturen der Körner,“ so Wudy. Die Korngröße und -textur ist aber wesentlich für das Verhalten der Bauteile wie z.B. deren Zugfestigkeit oder Bruchdehnung. „Wenn wir nun das Kornwachstum durch die gezielte Auswahl an Prozessparametern und Strahlprofilen genau steuern können, lassen sich resultierende Bauteileigenschaften einstellen und so z.B. besonders feste oder duktile Bauteilbereiche erzeugen. Die Eigenschaften können durch geschickte Belichtungsstrategien auch innerhalb eines Bauteils variiert werden,“ erklärt Professorin Wudy.

Sieben unterschiedliche Strahlqualitäten

Beim Faserlaser AFX-1000 kann die Intensitätsverteilung der Strahlquellen des Lasers, bestehend aus einem Single-Mode-Zentrums- und einem Ringstrahl im Handumdrehen von einem typischen Gauss-Profil auf sechs verschiedene ringförmige Profile umgeschaltet werden. Die unterschiedlichen Leistungen der beiden übereinanderliegenden Laserstrahlen erzeugen einen äußerst attraktiven homogenen Energieeintrag bei Vermeidung von Spritzern und Hitzerissen. Das ist beim sogenannten "Hatchen", dem mäanderförmigen Abfahren der zu belichtenden Geometrien in der Additiven Fertigung von zentraler Bedeutung. Denn hier geht es darum, bestimmte Flächenquadrate wie Schachbretter von der Fläche her aufzubauen. Je breiter die Laserstrahlspur desto schneller können diese befüllt werden und umso schneller läuft der Produktionsvorgang der Bauteile. Dabei sollten die Kanten des Werkstückes möglichst sauber sein und können mit dem feinen Single-Mode-Strahl der Zentralfaser des Lasers sehr gut nachgearbeitet werden. Durch den variablen Einsatz von Single- und Ringmode-Modus erhöht sich die Produktivität bereits um das ca. 2,8-fache.

Spotdurchmesser stufenlos anpassbar

Durch die Kombination des programmierbaren Faserlasers mit der Zoom-Optik der Ablenkeinheit verdoppeln sich die Möglichkeiten. So kann die Schmelzspur auf die 5,5-fache Breite vergrößert werden.„Wir können die Laserspuren mit sehr hoher Genauigkeit je nach Prozessfeldgröße mit bis zu < 5 µm positionieren,“ sagt Wolfgang Lehmann, Produktmanager bei Raylase. Eine sinnvolle Breite der Schmelzpfade hängt sehr stark von der Korngröße der Pulverteilchen ab. Diese liegt in der Regel zwischen 15 μm und 100 μm. Dementsprechend muss die Spotgröße angepasst werden. „Mit dem AM-Module Next Gen lässt sich der Spotdurchmesser während des Prozesses stufenlos anpassen und damit auch hochdynamisch verdoppeln,“ so Lehmann weiter. Mit seinen hochdynamischen Ablenkspiegeln vermag die Ablenkeinheit zudem sehr schnell scharfe Ecken zu fahren. Für den Hatching-Prozess bietet die Ablenkeinheit einen integrierten Faserkollimator, ein ausgeklügeltes Zoom-Achssystem zur dynamischen Spotgrößeneinstellung sowie mannigfache Prozess-Monitoring-Möglichkeiten, um die Qualität zu überwachen. Konstante Spotgrößen und Leistungsdichten werden so an jedem Punkt im Prozessfeld sichergestellt.

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