Es sei angenommen: Benötigt wird ein Sonderteil im Größenordnungsbereich von 5 bis 200 mm, zum Beispiel für eine Maschine. Die Komponente soll aus Metall bestehen und eine komplexe Geometrie aufweisen. In diesem Fall würde Markus Hofele, Doktorand am LAZ der Hochschule Aalen, dazu raten, das Teil im Laser-Powder-Bed-Fusion-Verfahren (LPBF) herzustellen.

Motivation des Forschungsprojektes

Beim LPDF-Verfahren wird Metallpulver Schicht für Schicht aufgetragen und mitmilfe eines Laserstrahls mit der darunterliegenden Bauteilschicht verschmolzen. Am Ende erhebt sich die gewünschte Form aus dem Pulverbett und das nicht benötigte Pulver kann abgesaugt werden. Unter dem Teil werden in der Regel Stützstrukturen in Form dünner Stäbchen konstruiert, welche das Bauteil an die darunter liegende Bauplattform anbinden. Diese Strukturen müssen nachträglich entfernt werden. „Das verursacht einen Mehraufwand und ist auch nicht besonders kosten- oder ressourcenschonend“, so Hofele.

Darüber hinaus ist bei der aktuell verwendeten Technik der Energieeintrag beim Laserschmelzen immer gleich hoch, obwohl das Bauteil an unterschiedlichen Stellen zum Beispiel verschiedene Wandstärken aufweisen kann. „Man arbeitet mit festen Parametersätzen am gesamten Bauteil. Deshalb entstehen an verschiedenen Stellen im Objekt unterschiedlich hohe Temperaturen und Abkühlbedingungen“, erläutert Hofele. „Das Material kühlt unterschiedlich schnell ab. Dies hat zur Folge, dass es teils überhitzt und große Eigenspannungen aufweisen kann, was zu Verzug, Rissen oder anderen Defekten führt.“

Bis zu 20 % Druckzeit sparen

Eine ideale Anlage sollte die unterschiedlichen Temperaturen im Bauteil erkennen, in Echtzeit regeln und die Laserleistung anpassen können. Zudem sollte sie die laserbasierte Wärmebehandlung der Schichten so ausführen können, dass selbst bei komplexen Geometrien und anspruchsvollen Materialien Eigenspannungen minimiert und somit Risse vermieden werden. Zugleich wäre weniger Stützmaterial erforderlich, was wiederum Ressourcen schonen, Produktionszeit und -kosten senken und den Nachbearbeitungsaufwand reduzieren würde.

„Bisher gibt es eine derart intelligente Anlage nicht, die die Temperatur während des Herstellungsprozesses selbstständig regeln kann“, konstatiert Hofele. Das soll sich nun ändern: Hofele, Patrick Grub und Robin Wenger entwickeln unter der Leitung von Prof. Dr. Harald Riegel, Rektor der Hochschule Aalen und Laborleiter am LAZ, im Projekt „Pyro-LPBF“ ein Optiksystem, das über ein neu entwickeltes Highspeed-Pyrometer die Temperatur im Laserspot erfasst, in Echtzeit in den Prozess eingreift und somit den gesamten additiven Fertigungsprozess verbessert. Je nach Bauteilgeometrie und bislang erforderlichen Stützstrukturen seien laut Hofele Einsparungen von bis zu 20 % der Druckzeit und in gleicher Größenordnung an Pulvermaterial denkbar.

Finanziert wird das auf zwei Jahre angelegte Forschungsprojekt mit Drittmitteln des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) und des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz. Projektpartner sind die Unternehmen Sensortherm und Scanlab. „Die Firma Sensortherm entwickelt das Pyrometer, und Scanlab stellt die angepassten Komponenten für das Scansystem her. Zudem entwickeln wir gemeinsam mit der Firma Autodesk parallel ein neuartiges ‚Machine Control Framework‘ zur Anlagen- und Prozesssteuerung“, berichtet Hofele. Das Projekt läuft über 24 Monate.

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