LPBF-Verfahren Wie weniger Stützstrukturen das Laserstrahlschmelz voranbringen

Von Martijn Vanloffelt*

Mit dem pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen können bisher unmöglich Konstruktionen umgesetzt werden, aber eine Herausforderung besteht: Stützstrukturen. Wie weniger Stützstrukturen eine automatisierte Nachbearbeitung möglich machen und Material sparen.

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Viele additive Konstruktion kommen nicht ohne Stützstrukturen aus. Damit sind aber häufig aufwendige Nachbearbeitungsschritte und ein hoher Materialverbrauch verbunden.
Viele additive Konstruktion kommen nicht ohne Stützstrukturen aus. Damit sind aber häufig aufwendige Nachbearbeitungsschritte und ein hoher Materialverbrauch verbunden.
(Bild: gemeinfrei // Unsplash)

Die additive Metallfertigung kommt seit ein paar Jahrzehnten in stark regulierten Branchen wie dem Gesundheitswesen und der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz und ermöglicht eine breite Palette von Anwendungen. In vielen Fällen wurden bestehende Anwendungen durch das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (LPBF) funktional optimiert. Der Hauptgrund für die Umstellung der Fertigung auf additive Verfahren ist die zusätzliche Designfreiheit, die durch das Hinzufügen komplexer Gitterstrukturen, durch Optimierung von Strömungskanälen oder durch topologisch optimierte Strukturen erzielt wird.

Abbildung 1: Die manuelle Entfernung der Stützstrukturen kann mühsam und zeitaufwendig sein.
Abbildung 1: Die manuelle Entfernung der Stützstrukturen kann mühsam und zeitaufwendig sein.
(Bild: 3D Systems)

Additive Manufacturing erlaubt die Produktion von Teilen, die nicht mit herkömmlichen Methoden hergestellt werden können. Allerdings bringt sie auch einige bekannte Herausforderungen mit. LPBF erfordert Stützmaterial, wenn überhängende Strukturen in flachen Winkeln gedruckt werden. Das Schmelzen über losem Pulver führt allerdings zu schlechten Prozessbedingungen und möglicherweise zu einem fehlgeschlagenen Bauvorgang. Außerdem werden Stützstrukturen benötigt, um das Teil auf der Bauplatte zu befestigen. Dies wirkt den thermischen Spannungen entgegen, die durch die schnelle Abkühlung entstehen und verringert die Gefahr des Verziehens des gedruckten Teils.

Welche Vorteile weniger Stützstrukturen haben

Obwohl Stützstrukturen notwendig sind, um die jeweiligen Herausforderungen bei der LPBF-Technologie zu bewältigen, können deren Verringerung von Vorteil sein:

  • Reduzierte Nachbearbeitung: Weniger Stützstrukturen bedeuten weniger Aufwand für deren nachträgliche Entfernung, was zu direkten Arbeits- und Kosteneinsparungen führt. In vielen Fällen werden die Stützstrukturen manuell entfernt. Dies erhöht die Gefahr, dass Teile während des Fertigungsablaufs beschädigt werden, was ebenfalls zu Verlusten führen kann.
  • Weniger Materialverschwendung: Wenn weniger abgängiges Material gedruckt wird, kann der Anwender die Kostenstruktur für die Fertigungsanwendung optimieren.
  • Leichtere automatisierte Nachbearbeitung: Viele mit LPBF hergestellte Teile müssen nach der additiven Fertigung in irgendeiner Form nachbearbeitet werden. Für bestimmte Anwendungen ist eine Oberflächenglättung erforderlich, beispielsweise um sie später besser zu reinigen oder die Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung zu verringern. Automatisierte Polierschritte können durch Vibrationsschleifen, (elektro-)chemische Oberflächenbearbeitung oder durch Kombination solcher Technologien erfolgen. Die anfängliche Rauheit der Teile und die Gleichmäßigkeit der Oberflächenmorphologie sind entscheidend für gute Ergebnisse. Wenn Stützstrukturen vermieden werden, die Narben an der Oberfläche des Werkstücks hinterlassen und eine manuelle Vorbearbeitung der gestützten Flächen erfordern, können Teile günstiger und automatisiert nachbearbeitet werden.
  • Erweiterte Möglichkeiten: Es gibt Fälle, in denen Stützstrukturen erforderlich sind, damit die funktional optimale Geometrie hergestellt werden kann. Wenn sich diese Stützstrukturen jedoch in inneren Hohlräumen befinden und deshalb nicht entfernt werden können, kann die additive Fertigung nicht optimal eingesetzt werden. Je weniger Stützstrukturen benötigt werden, desto besser die Einsatzmöglichkeiten der additiven Fertigung.

Optimierte Designs machen weniger Stützen notwendig

Abbildung 2: Darstellung eines Entwurfs mit reduzierten Stützstrukturen.
Abbildung 2: Darstellung eines Entwurfs mit reduzierten Stützstrukturen.
(Bild: 3D Systems)

Eine der wirksamsten Wege, um Stützstrukturen zu reduzieren ist die Optimierung des Designs für die additive Fertigung. Weniger gehärtetes Material und eine optimale Ausrichtung des Bauteils in einem frühen Stadium des Entwurfsprozesses wirken sich stark auf die Anzahl der benötigten Stützstrukturen aus. Und so sinken auch die daraus resultierenden Nachbearbeitungskosten. Wenn die Geometrie durch die Funktion der Anwendung vorgegeben ist (z. B. bei aerodynamisch optimierten Schaufeln), kann das Herstellungsverfahren durch den Einsatz von Mehrfachbelichtungstechniken und kontaktlosen Stützstrukturen weiter optimiert werden (Abbildung 2).

Ziel der Mehrfachbelichtungstechnik ist eine Verringerung der Prozessinstabilität, die sich durch das Schmelzen oberhalb von losem Pulver ergibt. Bei voller Schmelzkraft entsteht oft eine große Menge an Schlacke, wodurch der Druckvorgang häufig fehlschlagen kann. Durch Modulieren der Leistung und Schmelzen des Pulvers in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten ist es möglich, Oberflächen mit viel flacheren Winkeln herzustellen, als dies mit herkömmlichen Techniken möglich wäre. Multi-Exposure-Zonen können in Softwarepaketen wie 3DXpert leicht durch Optimierung der Parameter und Kriterien für die jeweilige Anwendung konfiguriert werden. Dadurch werden Oberflächenrauheiten erzeugt, die im Vergleich zum Rest des Teils einheitlich und in nach unten weisenden Bereichen dicht sind (Abbildung 3).

Kontaktlose Stützstrukturen leiten Wärme ab

Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung kontaktloser Stützstrukturen. Diese können in Fällen verwendet werden, bei denen nach unten zeigende Merkmale gefertigt werden müssen und eine hohe Detailtreue erforderlich ist (z. B. Hinter-/Unterkanten von Stator-/Rotorblättern). Hierbei werden die Stützstrukturen unter dem Merkmal positioniert, berühren das Teil jedoch nicht. Bei dieser Methode wird die Wärmeleitfähigkeit des Pulverbetts genutzt, um Hitze in Richtung der Stützstruktur abzuleiten, ohne dass diese vollständig mit dem Teil verbunden ist.

Keine manuelle Nachbearbeitung durch beide Techniken

Um eine manuelle Entfernung der Stützstrukturen zu vermeiden und eine homogene Rauheit und genaue Geometrie der Teile direkt aus dem Druckvorgang zu erzielen, kamen bei der in Abbildung 3 gezeigten Turbinenanwendung sowohl die Mehrfachbelichtungstechnik als auch kontaktlose Stützstrukturen zum Einsatz. Das Ergebnis ist ein gedrucktes Teil, das – nach Drahterosion zum Trennen von der Substratplatte – keine manuelle Endbearbeitung oder Entfernung der Stützstrukturen erfordert und sofort automatisiert fertiggestellt werden kann.

Abbildung 3: Gedrucktes Endergebnis einer Turbinenanwendung.
Abbildung 3: Gedrucktes Endergebnis einer Turbinenanwendung.
(Bild: 3D Systems)

Der Einsatz der additiven Metallfertigung zur Herstellung von Endnutzungsteilen kann zwar Herausforderungen mit sich bringen, aber mit den richtigen Tools und Fachkenntnissen lassen sich solche gut bewältigen. Die Zusammenarbeit mit erfahrenen Anwendungsexperten und der Einsatz einer Software für die additive Fertigung kann Ingenieuren dabei helfen, ihren Gestaltungsspielraum zu erweitern und Endnutzungsteile herzustellen, die den strengen Anforderungen stark regulierter Branchen entsprechen.

* Martijn Vanloffelt arbeitet als Director der Application Innovation Group bei 3D Systems.

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