Flexible Laserstrahlformung für die additive Fertigung

Das Tempo der Innovation in der additiven Fertigung beschleunigt sich mehr und mehr. Dazu trägt schon seit Jahren der Einsatz modernster Laser­techno­logie bei. Als schneller Läufer im Produktions-Spiel hat sich der Ring-Mode-Laser in Sachen Schweißen einen Namen gemacht. Für das „LPBF – Laser Powder Bed Fusion“-Verfahren beim 3D-Druck braucht es aber mehr. Hier bietet ein neuer Laser mit flexibel umschalt­barer Single- und Ring-Mode-Funktion unter­schied­liche Strahl­qualitäten von fein zu breit. Seit kurzem hat sich ein neuer Mitspieler auf dem Feld der Laser­material­bearbeitung in der additiven Fertigung zu ihm gesellt. Dabei ist die Zusammen­arbeit der beiden so einzig­artig und viel­ver­sprechend, dass die Ergebnisse einer kleineren Sensation für den AM-Bereich gleichen.

Derzeit untersucht Katrin Wudy von der TU München die besondere Kombination aus Faserlaser AFX-1000 von nLIGHT mit optischer Ablenk­einheit AM MODULE NEXT GEN von Raylase. Im Fokus ihrer Unter­suchungen stehen dabei der Einfluss des Strahl­profils auf die Mikro­struktur­ausbildung. „Die so erzeugten Werkstücke schneiden wir ausein­ander und schauen uns unter dem Mikroskop die Kornstruktur Schliff­bildern an,“ so Wudy. 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. Die Korngröße und -textur ist aber wesentlich für das Verhalten der Bauteile wie etwa 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 etwa besonders feste oder duktile Bauteil­bereiche ohne zusätzliche Nach­be­handlung erzeugen. Die Eigen­schaften können durch geschickte Belichtungs­strategien auch innerhalb eines Bauteils variiert werden,“ erklärt Wudy die großen Vorzüge der Laser­strahl­formung mittels Faserlaser und Ablenk­einheit.

„Die TUM, Optoprim, der deutsche Vertriebs­partner von nLIGHT-Lasern und Raylase haben hier ihre Kräfte gebündelt, um die kritischen Prozess­beschränkungen bei Laser LPBF-Anwendungen wie mangelnde Homogenität des Schmelzbades und reduzierte Produktions­geschwin­dig­keit zu lösen“, betont Wolfgang Lehmann, Produkt­manager bei Raylase, die Vorteile der außer­gewöhn­lichen Kooperation. So entstehen bei herkömmlichen AM-Verfahren mit nur einem Single-Mode Laser eine Reihe von Mängeln, wie Keyhole-Bildung durch Über­hitzung, zu geringe Tiefe der Schmelzspur, pulver­freie Zone um das erstarrte Schmelzbad oder Ballen im Schmelzbad. Mit dem Kombi-Produkten, bestehend aus dem program­mier­baren Faserlaser AFX-1000 von nLIGHT und der Ablenk­einheit AM MODULE NEXT GEN mit Zoom Achse von Raylase gehören diese Probleme der Vergangen­heit an.

Dabei ist wichtig zu wissen: 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 „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 etwa um das 2,8-Fache. Zusammen allerdings sind sie unschlagbar. Mit dem Zoom des AM MODULES vergrößert sich die Schmelz­spur auf die 5,5-fache Breite.

Hat schon der program­mier­bare Faserlaser viel zu bieten, verdoppeln sich die Möglich­keiten in der Kombination mit der Zoom-Optik der Ablenk­einheit. „Wir können die Laserspuren mit sehr hoher Genauigkeit je nach Prozess­feld­größe mit bis zu fünf Mikrometern positio­nieren“, so Lehmann. „Eine sinnvolle Breite der Schmelzpfade hängt sehr stark von der Korngröße der Pulver­teilchen ab. Diese liegt in der Regel zwischen 15 und 100 Mikrometern. 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.“

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 dynamische Spot­größen­ein­stellung sowie mannig­fache Prozess-Monitoring-Möglich­keiten, um die Qualität zu über­wachen. Konstante Spotgrößen und Leistungs­dichten werden so an jedem Punkt im Prozessfeld sicher­ge­stellt.

Damit steigern die beiden innovativen Produkte die AM-Wert­schöpfungs­kette beim Laser Power Bed Fusion von Metallen nicht nur deutlich, sondern verschieben auch bis dato feste Grenzen in der seriellen Produktion. Denn das Ziel in der Additiven Fertigung liegt schließlich darin, den Aufbau­prozess der Bauteile zugleich zeit­effi­zient als auch qualitativ hoch­wertig zu organisieren.

Raylase / RK

Weitere Infos:

• Raylase GmbH, Weßling
• Laserbasierte additive Fertigung (K. Wudy), Fklt. Maschinenwesen, technische Universität München