Prozess- und Systemtechnik für LPBF

Das LPBF-Verfahren

Durch den schichtweisen Aufbau direkt aus CAD-Daten können mittels LPBF hochkomplexe Bauteile aus metallischen Werkstoffen ohne formgebende Werkzeuge gefertigt werden, deren Herstellung mit konventionellen Fertigungsverfahren wie Gießen oder Zerspanen nicht möglich ist. Das LPBF-Verfahren wird mit der Bezeichnung »metallischer 3D-Druck« oft vereinfacht dargestellt, unterliegt in der Realität jedoch dem Einfluss zahlreicher Prozessparameter und Störgrößen. Nur durch die gezielte Einstellung dieser Prozessparameter unter gleichzeitiger Beherrschung der Störgrößen, können die gewünschten Anforderungen des Anwenders umgesetzt werden.

LPBF-Maschinen verfügen über eine verfahrbare Bauplattform, auf die mithilfe einer Auftragseinheit eine Pulverschicht aufgebracht wird. Die für den LPBF-Prozess notwendige Laserstrahlung wird über einen Galvanometerscanner abgelenkt und mittels F-Theta oder Vario-Optik fokussiert. Metallische Werkstoffe werden in einer Inertgasatmosphäre verarbeitet, wobei der Gaskreislauf die Aufgabe des Abtransports von Prozessnebenprodukten übernimmt. Die verwendeten Maschinenkomponenten beeinflussen verschiedene Eigenschaften des Gesamtsystems wie der Prozessgeschwindigkeit und Bauteilqualität. Die passende Auswahl und Kombination von Einzelkomponenten für den entsprechenden Einsatz ist somit entscheidend für eine wirtschaftliche Nutzung des Laser Powder Bed Fusion. Die Experten des Fraunhofer ILT unterstützen Sie dabei, den LPBF-Prozess und die zugehörige Systemtechnik individuell für Ihre Anwendung zu optimieren und bei Bedarf neue Strategien zur Lösung Ihrer Aufgabenstellungen zu entwickeln.

Stützfreie Produktion dank geometrieangepasster Prozesssteuerung
© Fraunhofer ILT, Aachen.
Stützfreie Produktion dank geometrieangepasster Prozesssteuerung

Tailored LPBF – Maßgeschneidert für Ihre Anwendung

Gantry-basierte LPBF-Großanlage
© Fraunhofer ILT, Aachen.
Gantry-basierte LPBF-Großanlage

Um den bei der Fertigung mittels LPBF bisher typischen Kompromiss zwischen Bauteilqualität und Produktivität aufzulösen, entwickelt das Fraunhofer ILT innovative Bearbeitungsstrategien. Durch den zeitlich und örtlich angepassten Energieeintrag wird die Prozessführung adaptiv auf das zu fertigende Bauteil und die Anforderungen des Anwenders eingestellt und ermöglicht so eine Bearbeitung mit hoher Präzision und hoher Geschwindigkeit. Anlagentechnik und Software erlauben eine gezielte Anpassung jedes Parameters bis auf die Ebene einzelner Schmelzspuren. Dies gewährleistet die volle Kontrolle über den LPBF-Prozess.

Skalierbare Maschinenkonzepte und Anlagenkom-ponenten

Wesentliche Voraussetzung für die Industrialisierung des LPBF ist die Skalierbarkeit der Maschinentechnik im Hinblick auf Bauraumgröße, Produktivität und Robustheit. Das Fraunhofer ILT entwickelt hierzu innovative Maschinenkonzepte auf Basis verfahrbarer Bearbeitungsköpfe mit lokaler Schutzgasführung, die eine einfache Skalierung der Bauraumgröße ermöglichen. Zur Steigerung der Produktivität kommen Multi-Strahl-Systeme zum Einsatz, wobei sowohl klassische Galvanometerscanner als auch neuartige Kinematikkonzepte untersucht werden. Außerdem erprobt das Fraunhofer ILT neuartige Laserstrahlquellen mit kurzwelligem Licht, die eine effiziente Energieeinkopplung insbesondere bei hochreflektiven Werkstoffen wie Reinkupfer begünstigen. Zudem werden Optiksysteme zur adaptiven Strahlformung erarbeitet, mit denen höhere Aufbauraten möglich sind. Weiterhin erforscht das Fraunhofer ILT neben der konventionellen Bauplattformheizung neuartige Systeme zur unmittelbaren Vorheizung in der Prozessebene, die Temperaturen bis zu 1500 °C erreichen und die Verarbeitung anspruchsvoller, verzugs- und rissanfälliger Werkstoffe ermöglichen. Hierdurch lassen sich konstante Vorheizverhältnisse unabhängig von der Bauteilgröße erzielen.

Monitoringsysteme zur Digitalisierung des LPBF

Innovatives Vorwärmkonzept
© Fraunhofer ILT, Aachen.
Innovatives Vorwärmkonzept

Eine reproduzierbare Prozess- und Bauteilqualität ist essenziell für den Einsatz des LPBF in der Serienproduktion. Um dies zu überprüfen, bedarf es angepasster Systeme zur Prozessüberwachung. Am Fraunhofer ILT werden unter anderem Systeme zur Beobachtung des Umschmelzprozesses und solche zur Charakterisierung des erstarrten Materials im LPBF-Prozess eingesetzt. Des Weiteren wird der Maschinenzustand mittels neuartiger Sensorik während des Prozesses überwacht. Zur Speicherung und Analyse der Daten werden Cloud-basierte Systeme und Machine Learning Modelle untersucht.

Ausstattung

Unser Portfolio industrieller LPBF-Anlagen beinhaltet:

  • EOS M290 (PL = 1000 W, Exposure OT)
  • TruPrint5000 (PL = 3x500 W, TPlattform, max = 500°C)
  • SLM 280 Twin (PL = 2x400 W)
  • EOS M270 (PL = 200 W)
  • Concept Laser XLine (PL = 2x1000 W)

Unsere zum Teil selbst entwickelten LPBF-Laboranlagen können aufgrund ihrer offenen Hard- und Softwarearchitektur flexibel an Ihre Anforderungen angepasst werden. Die technischen Spezifikationen umfassen unter anderem:

  • Unterschiedliche Strahlquellen (Wellenlängen, Strahlprofile, Multi-kW-Leistungen) und Optiksysteme (z. B. Multi-Scanner-Systeme, Systeme mit Wechseloptik)
  • Unterschiedliche Pulverauftragssysteme (z. B. vibrationsunterstützter Pulverauftrag, verschiedene Auftragswerkzeuge)
  •  Flexible Schutzgasführungs- & Messsysteme
  • Verschiedene LPBF-Vorheizsysteme bis 1500 °C
  •  LPBF-Anlagen zur Verarbeitung geringer Pulvermengen
  • Systeme zur Prozessbeobachtung (z. B. Thermografie) 

Leistungsangebot

  • Machbarkeitsstudien und Prozessentwicklung unter Einsatz diverser Werkstoffe und Systemtechnik
  • Anwendungsspezifische (Weiter-)Entwicklung von LPBF-Systemkomponenten bis hin zur Gesamtmaschine
  • Entwicklung prozessspezifischer Lösungen (z. B. Prozessführung für Multi-Scanner-Systeme, angepasste Laser-Intensitätsverteilung etc.)
  • Entwicklung innovativer Lösungen entlang der digitalen Prozesskette (Prozessmonitoring und Prozesssteuerung, intelligente Datenvorbereitung und Datennachbereitung)
  • Beratung, Schulungen und Benchmarking