Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILTOnline / 10. November 2020 - 12. November 2020
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Additive Fertigung von Großbauteilen mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF)
Konventionelle Anlagen für das Laser Powder Bed Fusion (LPBF) sind in ihrer Baugröße beschränkt. Bei einer Vergrößerung des nutzbaren Bauraumes besteht die Herausforderung darin, eine homogene Schutzgasströmung über dem gesamten Pulverbett zu realisieren. Zudem ist eine Produktivitätssteigerung notwendig, um entsprechende Anlagen wirtschaftlich einsetzen zu können.
Um diesen Herausforderungen zu begegnen wurde am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT im Rahmen des Leitprojektes futureAM ein neuartiges LPBF-Anlagenkonzept (Baugröße: 1000x800x350mm³) für die Herstellung großer Bauteile entwickelt. Dieses beinhaltet einen über Linearachsen beweglichen Bearbeitungskopf mit lokaler Schutzgasführung, wodurch einfach zu kontrollierende Prozessbedingungen geschaffen werden. Die neuste Ausbaustufe beinhaltet einen Bearbeitungskopf mit einem Fünf-Scanner System, sodass eine ausreichende Produktivität des Verfahrens gewährleistet ist.
Für den Proof-of-Concept wurde seitens Rolls Royce Ltd. ein Oil Transfer Coupling eines Luftfahrtantriebes als Demonstrator bereitgestellt und für die additive Fertigung redesigned. Mithilfe des neuen Anlagenkonzeptes gelang es, den Demonstrator mit einer Bounding Box von Ø600 x H280 mm³ zu fertigen. Das monolithisch gefertigte Bauteil ersetzt damit eine Baugruppe aus ursprünglich 44 Einzelteilen und wird auf der Formnext 2020 erstmals der Öffentlichkeit präsentiert.
»PETIT«
Bei den derzeit in Laser-Pulverbett-Schmelzverfahren (LPBF) verwendeten Materialien handelt es sich um Legierungen, die für konventionelle Fertigungsverfahren ausgelegt sind. Dadurch können die Vorteile des LPBF-Verfahrens jedoch nicht voll ausgeschöpft werden. Daher müssen neue Legierungen unter LPBF-Bedingungen entwickelt werden, was derzeit mehrere kostspielige und zeitaufwändige Herstellungszyklen des Pulvermaterials erfordert. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, hat das Fraunhofer ILT die miniaturisierte und modulare Prozesskammer »PETIT« entwickelt. Die Verarbeitung von Materialproben mit deutlich reduziertem Pulvermaterial von < 40 cl ist möglich, wodurch eine schnelle Legierungsentwicklung mit elementaren Pulvermischungen machbar wird. Durch die Integration von PETIT in bestehende LPBF-Systeme, um deren optische und Lasersysteme zu nutzen, ist ein schnelles Screening verschiedener Legierungszusammensetzungen mit hoher Übertragbarkeit auf Prozesse im industriellen Maßstab möglich.
Adaptive Prozessführung beim Laser Powder Bed Fusion (LPBF)
Bei der additiven Fertigung mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF) entstehen prozessbedingt Abweichungen der Ist-Geometrie des Bauteils von der CAD-Sollgeometrie. Als Ursache hierfür sind Bewegungen des durch den Laser induzierten Schmelzbades zu nennen. Schmelzbadströmungen führen zu Ansinterung von Pulverpartikeln an die Bauteiloberfläche, während insbesondere an spitzen Konturbereichen Wärmestau zu Aufwölbungen führt. Insbesondere bei Präzisionsbauteilen führt dies zu einem erhöhten kostenintensiven Nachbearbeitungsaufwand.
Am Fraunhofer ILT wird deshalb im Rahmen des BMBF-Förderprojektes IDEA eine adaptive Prozessführung entwickelt, bei der kontinuierliche (cw) und gepulst-modulierte (pw) Laserstrahlung zur Fertigung makroskaliger Bauteile verwendet wird. Durch die gepulst-modulierte Belichtung der Bauteilkontur können im Vergleich zur cw-Belichtung kleinere Schmelzbäder realisiert werden, die unabhängig voneinander erstarren, wodurch Schmelzbadströmungen und -bewegungen reduziert werden. Hierdurch kann sowohl die Oberflächenrauheit, als auch die geometrische Genauigkeit und somit die Bauteilqualität signifikant verbessert werden.
Sensorintegration in LPBF-Bauteile
Die additive Fertigung ermöglicht neue Möglichkeiten zur Integration von Sensoren in Bauteile. Jeder Punkt innerhalb und außerhalb des Bauteils ist während des Fertigungsprozesses temporär zugänglich. Das erlaubt eine völlig freie Positionierung der Sensoren im Bauteil, auch an Stellen, die mit konventionellen Integrationsmethoden nicht zugänglich sind.
Das Fraunhofer ILT entwickelt Prozessketten zur Integration von Sensoren zur Messung von Temperatur und mechanischer Spannung in der LPBF-Fertigung. Während des Fertigungsprozesses werden Sensoren eingebracht, mit dem Bauteil verbunden und im weiteren Verlauf des Prozesses vollständig in das Bauteil integriert.
Das entwickelte Verfahren ermöglicht eine positionsgerechte und prozesssichere Integration von Sensoren in SLM-Bauteile. Gegenüber dem Stand der Technik bieten die additiv integrierten Sensoren zu dem Vorteile in der Ansprechzeit bei Temperaturmessung, ermöglichen die Messung der mechanischen Spannungen im Bauteilinneren und sind bessere gegen äußere Einflüsse geschützt.
Die additive Fertigung der Sensoren selbst ist Gegenstand aktueller Untersuchungen am Fraunhofer ILT.