Komponenten- & Systementwicklung für das Selective Laser Melting

Themenbroschüre Komponenten- & Systementwicklung für das Selective Laser Melting

Themenbroschüre Komponenten- & Systementwicklung für das Selective Laser Melting

Mit rund 20 Jahren Erfahrung im Additive Manufacturing metallischer Bauteile mit Selective Laser Melting (SLM) ist das Fraunhofer ILT weltweit das führende Forschungsinstitut auf diesem Gebiet. Unsere Experten befassen sich mit der eigentlichen Prozessentwicklung, der Erweiterung des verarbeitbaren Werkstoffspektrums sowie der Adaption des Verfahrens für neue Anwendungen. Im Fokus unserer Arbeiten stehen dabei die Weiterentwicklung einzelner Komponenten für die Anlagentechnik als auch die ganzheitlichen Systemintegration.

Grundlagen zur Anlagentechnik

Nahezu alle derzeit erhältlichen SLM-Anlagen verfügen über eine verfahrbare Bauplattform, auf die mithilfe einer Auftragseinheit eine Pulverschicht aufgebracht wird. Anschließend wird die Oberfläche dieses Pulverbetts gemäß der zu erzeugenden Bauteilgeometrie aufgeschmolzen. Die dazu notwendige Laserstrahlung wird über einen Galvanometerscanner abgelenkt und mit einer Flachfeldlinse (F-Theta-Optik) oder einer Vario-Optik fokussiert. Metallische Werkstoffe werden in einer Inertgasatmosphäre verarbeitet, wobei der Gaskreislauf zusätzlich die Aufgabe des Abtransports von Rauchgasen und prozessbedingten Spritzern übernimmt.

Die verwendeten Komponenten (Strahlquelle, Optik, Pulverauftragseinheit, Achssysteme, …) beeinflussen verschiedene Aspekte des Gesamtsystems, wie die Prozessgeschwindigkeit, Nebenzeiten, die Bauteilqualität und die Automatisierbarkeit. Die passende Auswahl und Kombination von Einzelkomponenten für den entsprechenden Einsatz ist somit entscheidend für eine wirtschaftliche Nutzung des Selective Laser Melting.

Trends und Herausforderungen

Ebenso grundlegend für einen wirtschaftlichen Einsatz des SLM-Verfahrens in der industriellen (Serien-)Fertigung ist aus Sicht der Anwender eine höhere Produktivität im Prozess, eine gesteigerte Flexibilität hinsichtlich der verfügbaren Bauräume sowie eine reproduzierbare Bauteilqualität. Die Produktivität wird hierbei einerseits durch die erzielbare Schmelzrate und andererseits durch die Nebenzeiten des Prozesses bestimmt. Zudem ist die Verarbeitung schwer schweißbarer und rissanfälliger Werkstoffe derzeit noch nicht vollständig beherrscht. Für sicherheitskritische Anwendungen ist eine Inline-Prozesskontrolle oder -regelung erforderlich, damit auch ohne anschließende Bauteilprüfung Aussagen über deren Qualität getroffen werden können.

Zur Steigerung von Produktivität und Bauraumgröße werden mehrere Ansätze verfolgt. Beispielsweise wird eine am Fraunhofer ILT entwickelte Zweistrahloptik zur Verwendung unterschiedlicher Laserleistungen (bis 2 kW) und Strahldurchmesser für verschiedene Bauteilbereiche eingesetzt. Sie erlaubt eine signifikante Erhöhung der Aufbaurate, erfordert jedoch eine Anpassung des optischen Systems sowie der Steuerungssoftware.

Größere Bauräume können durch mehrere parallel angeordnete oder einzelne verfahrbare Optiksysteme dargestellt werden, wobei hier die Kosten für zusätzliche Optikkomponenten sowie komplexere Systeme zur Aufrechterhaltung einer ausreichenden Schutzgasatmosphäre berücksichtigt werden müssen.

Einzelne Werkstoffklassen wie z.B. hochtemperaturfeste Nickel-/Kobaltbasiswerkstoffe sowie Hartmetalle können nur mit zusätzlicher Hochtemperatur-Bauplattformheizung rissfrei verarbeitet werden. Die hierzu notwendigen Temperaturen im Bereich von 800 bis 1200 °C können derzeit nur mit den Laboranlagen des Fraunhofer ILT erreicht werden.

Forschungsschwerpunkte

Das SLM-Verfahren wurde Mitte der 90er Jahre am Fraunhofer ILT entwickelt und seitdem in enger Kooperation mit führenden Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen unter Berücksichtigung der gesamten Prozesskette stetig weiterentwickelt. Durch unsere Kompetenz und jahrelange Erfahrung können unsere Experten Sie individuell von einer ersten Idee über Machbarkeitsstudien, Konzeptentwicklung bis hin zur Umsetzung und Integration der Anlagen in Ihre Produktionsumgebung unterstützen. Dabei können Sie nicht nur auf unsere Erfahrungen mit unserer umfangreichen Anlagenausstattung, bestehend aus unterschiedlichen kommerziellen Systemen und hochflexiblen Laboranlagen, sondern auch auf unser Know-how im Bereich der Laserstrahlquellenund Optikentwicklung zurückgreifen. Durch unsere enge Kooperation mit weiteren Fraunhofer-Instituten, der FH-Aachen und der RWTH Aachen University profitieren Sie gleichzeitig von der gebündelten Kompetenz des Standorts Aachen im Bereich des Additive Manufacturing. Das Fraunhofer ILT ist damit Ihr kompetenter Partner in allen Bereichen des Additive Manufacturing mittels SLM.

Leistungsspektrum

Hinsichtlich der Anlagentechnik umfassen unsere Leistungen unter anderem:

  • Neuentwicklung und Adaption optischer Systeme (Strahlquellen, Strahlführung und -formung) 
  • Vorheizsysteme für unterschiedliche Temperaturbereiche (bis zu 1700 °C) 
  • Optimierung von Schutzgasführungssystemen (Simulation, Konstruktion, Einbau und Test)
  • Entwicklung kundenspezifischer Sonderanlagen 
  • Integration von SLM-Anlagen in bestehende Produktionsumgebungen
  • Entwicklung hochflexibler Laborsysteme mit eigener Software für Forschung und Entwicklung