Selektives Laserschmelzen

mini|400px|Schema des Fertigungsverfahrens Das selektive Laserschmelzen (englisch Selective Laser Melting, Abk. SLM)SLM ist gem. Markenregistereintrag 30094322, Deutsches Patent- und Markenamt eine Wortmarke der DMG MORI Additive GmbH sowie der Nikon SLM Solutions AG. In der Fachliteratur wird SLM als Abkürzung für das Verfahren des selektiven Laserschmelzens verwendet, siehe zum Beispiel Joachim Tinschert, Gerd Natt: Oxidkeramiken und CAD/CAM-Technologien, Deutscher Ärzteverlag, 2007, ISBN 978-3-7691-3342-4, S. 39; Andrzej Grzesiak et al.: Generative Fertigung Mit Kunststoffen, Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-24325-7, S. 31, auch Laser-Strahlschmelzen oder pulverbettbasiertes Schmelzen von Metall mittels Laserstrahl (Abk. PBF-LB/M) genannt, ist ein additives Fertigungsverfahren, das zur Gruppe der Strahlschmelzverfahren gehört. Etwa 2020 gehört es in der Metallverarbeitung zu den industriell am meisten verbreiteten Verfahren.Christine Anstätt: Multimaterialverarbeitung mittels Laserstrahlschmelzen am Beispiel von metallischen Verbindungen mit der Kupferlegierung CW106C, 1.1 Motivation, 2020 (Dissertation, PDF-Datei, 3,2 MB), abgerufen am 28. September 2024. Ähnliche Verfahren sind das Elektronenstrahlschmelzen und das selektive Lasersintern.

Verfahren Beim selektiven Laserschmelzen wird der zu verarbeitende Werkstoff in Pulverform in dünnen Schichten auf einer Grundplatte aufgebracht. Der pulverförmige Werkstoff wird mittels Laserstrahlung lokal („selektiv“) vollständig umgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht.Jean-Pierre Kruth u. a.: Binding Mechanisms in Selective Laser Sintering and Selective Laser Melting. In: Rapid prototyping journal. 11, Nr. 1, 2005, , S. 26–36. Anschließend wird die Grundplatte um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird so lange wiederholt, bis alle Schichten umgeschmolzen sind. Das fertige Bauteil wird vom überschüssigen Pulver gereinigt, nach Bedarf bearbeitet oder sofort verwendet. Pulverreste können nach VDI-Richtlinie 3405 gesiebt und erneut verwendet werden.Christine Anstätt: Multimaterialverarbeitung mittels Laserstrahlschmelzen am Beispiel von metallischen Verbindungen mit der Kupferlegierung CW106C, 2.2.1 Prozesstechnische Grundlagen, 2020 (Dissertation, PDF-Datei, 3,2 MB), abgerufen am 28. September 2024.

Die für den Aufbau des Bauteils typischen Schichtstärken bewegen sich für alle Materialien zwischen 15 und 500 µm.

Die Daten für die Führung des Laserstrahls werden mittels einer Software aus einem 3D-CAD-Körper erzeugt. Im ersten Berechnungsschritt wird das Bauteil in einzelne Schichten unterteilt. Im zweiten Berechnungsschritt werden für jede Schicht die Bahnen (Vektoren) erzeugt, die der Laserstrahl abfährt. Um die Kontaminierung des Werkstoffs mit Sauerstoff zu vermeiden, findet der Prozess unter Schutzgasatmosphäre mit Argon oder Stickstoff statt.

Durch selektives Laserschmelzen gefertigte Bauteile zeichnen sich durch große spezifische Dichten (> 99 %) aus. Dies gewährleistet, dass die mechanischen Eigenschaften des generativ hergestellten Bauteils weitgehend denen des Grundwerkstoffs entsprechen.

Es kann aber auch gezielt, nach bionischen Prinzipien oder zur Sicherstellung eines partiellen E-Moduls, ein Bauteil mit selektiven Dichten gefertigt werden. Im Leichtbau der Luft- und Raumfahrt und bei Körperimplantaten sind solch selektive Elastizitäten innerhalb eines Bauteils oft gewünscht und mit konventionellen Verfahren so nicht herstellbar.

Gegenüber konventionellen Verfahren (Gussverfahren) zeichnet sich das Laserschmelzen dadurch aus, dass Werkzeuge oder Formen entfallen (formlose Fertigung) und dadurch die Produkteinführungszeit reduziert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist die große Geometriefreiheit, die das Anfertigen von Bauteilformen ermöglicht, die mit formgebundenen Verfahren nicht oder nur mit großem Aufwand herstellbar sind. Des Weiteren können Lagerkosten reduziert werden, da spezifische Bauteile nicht bevorratet werden müssen, sondern bei Bedarf generativ hergestellt werden.

Belichtungsstrategie

Tendenziell gilt, je höher die Laserleistung, desto höher fällt die Rauheit des Bauteils aus. Moderne Anlagentechnik kann nach dem „Hülle-Kern-Prinzip“ Dichte und Oberflächengüte beherrschen. Die segmentierte Belichtung nimmt dabei gezielt Einfluss auf die Außenbereiche des Bauteils, auf Überhänge und hochdichte Bauteilbereiche. Eine optimierte Belichtungsstrategie verbessert das Qualitätsniveau und gleichzeitig die Aufbaugeschwindigkeiten. Das Leistungsprofil eines Bauteils kann mit Hilfe der segmentierten Belichtung deutlich gesteigert werden.

Qualitätsaspekte und Topologie

Die Anlagenhersteller verfolgen unterschiedliche Qualitätssicherungsansätze, die i. d. R. einerseits off-axis (bzw. ex situ) erfolgen oder andererseits On-axis (bzw. in situ).

Klassische Off-axis-Inspektionen weisen eine geringere Auflösung und eine niedrigere Erfassungsrate auf. Zum Einsatz kommt beispielsweise eine infrarot-sensitive Kamera, welche außerhalb der Prozesskammer – also ex situ – positioniert ist. Vorteil einer Ex-situ-Lösung ist die einfache Systemintegration von Anlage und Kamerasystem. Ein Off-axis-Aufbau ermöglicht Aussagen über das gesamtheitliche Aufschmelz- und Abkühlverhalten. Eine detaillierte Aussage über das Schmelzbad ist jedoch nicht ableitbar.

Der On-axis-/In-situ-Aufbau (z. B. Aufbau Concept Laser) beruht auf einer koaxialen Anordnung der Detektoren. Als Detektoren kommen eine Kamera und eine Photodiode zum Einsatz, die dieselbe Optik nutzen wie der Laser. Diese koaxiale Integration ermöglicht eine hohe koordinatenbezogene 3D-Auflösung. Die Erkennungsrate ergibt sich aus der Scan-Geschwindigkeit. Liegt diese bei 1.000 mm/s, so ergibt sich 100 µm, also die Distanz, für die je eine Aufnahme erzeugt wird. Bei 2.000 mm/s liegt der Wert bei 200 µm. Eine koaxiale Anordnung hat den Vorteil, dass die Schmelzbademissionen stets auf einen Punkt der Detektoren fokussiert werden und der Bildausschnitt verkleinert und somit auch die Abtastrate erhöht werden können. Eine detaillierte Analyse der Schmelzbadcharakteristika (Schmelzbadfläche und Schmelzbadintensität) wird so möglich.

Bezeichnungen und Namensgebung Das Verfahren wurde maßgeblich am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) in Aachen in Kooperation mit F&S (Matthias Fockele und Dieter Schwarze) entwickelt.Wilhelm Meiners: Direktes Selektives Laser Sintern einkomponentiger metallischer Werkstoffe, Dissertation, RWTH Aachen 1999. 1996 wurde es zum Patent angemeldet. Im Zuge der weiteren Prozess- und Anlagenentwicklung wurden von verschiedenen Maschinenherstellern unterschiedliche Namen für das beschriebene Verfahrensprinzip geprägt:

Selective Laser Melting (SLM): Nikon SLM Solutions AG, ReaLizer, DMG MoriDMG Mori Unternehmenshomepage/Additive Manufacturing, abgerufen am 15. Februar 2022 Laser Powder Bed Fusion (LPBF): Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) Direct Metal Laser Sintering (DMLS): EOS LaserCUSING: Concept Laser Laser Metal Fusion: Trumpf, Sisma3D Direct Metal Printing: 3D SystemsHomepage: 3D Systems, ProX-DMP-320, abgerufen am 21. Februar 2018 Laser-based powder bed fusion of metals (PBF-LB/M): ISO und VDI-Norm

Charakteristika und besondere Aspekte der Technologie

Geometriefreiheit Die Geometriefreiheit ermöglicht die Herstellung komplexer Strukturen, die sich mit konventionellen Verfahren technisch oder wirtschaftlich nicht realisieren lassen. Hierzu zählen Hinterschnitte, wie sie bei Schmuck oder technischen Bauteilen auftreten können.

Leichtbau und Bionik Es können auch offen-poröse Strukturen hergestellt werden, wodurch Leichtbauteile bei gleichzeitigem Erhalt der Festigkeit erzeugt werden können. Das Potenzial des Leichtbaus gilt als ein sehr wesentlicher Vorzug des Verfahrens. Als bionische Vorlage aus der Natur lässt sich die poröse Struktur von Knochen nennen. Generell spielen Ansätze der Bionik auf der konstruktiven Seite eine zunehmend wichtige Rolle. Redesign und One Shot-Ansatz Gegenüber klassischen Guss- oder Frästeilen, die oft zusammen montiert werden, um eine Baugruppe zu bilden, ist es möglich eine komplette Baugruppe oder zumindest viele Einzelteile in einem Schuss (One-Shot-Technik) aufzubauen. Die Anzahl der Bauteile einer Baugruppe sinken tendenziell. Man spricht dann von einem Redesign der bisherigen Konstruktion. Das generative Bauteil kann so leichter verbaut werden und der Montageaufwand wird so generell reduziert.

Reverse Engineering Aus einem gefertigten Produkt können die Konstruktionselemente extrahiert und in Datensätzen abgebildet werden. Auf Grundlage dieser Daten kann das Bauteil kopiert und im Reengineering (Redesign) optimiert werden.

Mischbauweise/Hybridbauweise Unter der Mischbauweise/Hybridbauweise bei SLM-Verfahren versteht man die Fertigung eines nur zum Teil generativ gefertigten Bauteils. Hierbei wird auf eine ebene Fläche eines ersten, konventionell gefertigten Bauteilbereichs im anschließenden SLM-Prozess ein zweiter, generativ gefertigter Bauteilbereich aufgebaut. Der Vorteil der Hybridbauweise liegt darin, dass das durch das SLM-Verfahren zu fertigende Bauvolumen stark reduziert werden kann und einfache Geometrien konventionell, geometrisch anspruchsvollere Bereiche mittels des SLM-Verfahrens aufgebaut werden können. Damit werden die Bauzeit sowie die Kosten für das metallische Pulvermaterial auf Grund des geringeren Volumens für den durch das SLM-Verfahren gefertigten Bauteilbereich reduziert.Special Tooling 1/02: Werkzeugkerne mit Laserenergie generieren, 2002, S. 12–15.

Prototypen und Unikate Formgebundene Verfahren bedürfen gewisser Seriengrößen, um die Kosten für die Formen auf die Stückkosten umzulegen. Beim SLM-Verfahren entfallen diese Einschränkungen: Es wird möglich, Muster oder Prototypen zeitnah herzustellen. Zudem können sehr individuelle Teile als Unikate entstehen, wie sie beim Zahnersatz, bei Implantaten, UhrenelementenJulian Drechsel: Untersuchung zur generativen Fertigung von Uhrwerksteilen, 2020 (Masterarbeit, PDF-Datei, 5,6 MB), abgerufen am 28. September 2024. oder Schmuck erforderlich sind. Besonderheit ist die zeitparallele Fertigung von Unikaten in einem Bauraum (z. B. Dentalimplantate, Hüftimplantate oder Wirbelsäulenstützelemente). Es wird möglich, speziell auf den Patienten individualisierte Bauteile, zu konstruieren und zu fertigen.

Selektive Dichten Bei einem klassischen Fräs- oder Drehteil ist die Dichte des Teils immer gleich verteilt. Bei einem lasergeschmolzenen Teil kann man diese variieren. Bestimmte Bereiche eines Bauteils können massiv gefüllt und damit steif sein und andere nachgiebiger ausgelegt werden, z. B. mit einer Wabenstruktur (bionische Prinzipien). Bauteilanforderungen können viel kreativer gestaltet werden im Vergleich zu konventionellen Techniken.

Funktionsintegration Je höher die Komplexität, desto besser kommt ein generatives Verfahren zum Zuge. Funktionen können integriert werden (z. B. mit Temperierkanälen oder Luftinjektoren oder das Teil erhält eine Scharnierfunktion oder sensorische Instrumente werden in das Bauteil integriert). Die somit wertgesteigerten Bauteile sind leistungsfähiger als konventionell hergestellte Bauteile.