Mikroschweißen

Autor: Dr.-Ing. Florian Bechstein

Das LaserCUSING-Verfahren, auch bekannt unter dem Begriff Selective Laser Melting (SLM), erlebte eine rasante Entwicklung. Dennoch bleibt der Eindruck des Exotischen: Eher Prototypen und Kleinserien prägen die Szene. Es wird ein Mangel an echter Reproduktionsfähigkeit unterstellt.
Bei jeder jungen Technologie bilden sich nach und nach Erfahrungsschätze und Methoden, die bei bereits eingeführten Technologien als gegeben angesehen werden. Faktisch steht das Verfahren in einigen Bereichen im Wettbewerb zum industriellen Gießen oder Fräsen, an dessen Leistungen man sich messen lassen muss. Es werden aber deutliche Fortschritte hin zu besseren Oberflächen und Bauteilequalitäten gemacht und vor allem in der Reproduzierbarkeit.

Das Stichwort Reproduzierbarkeit scheint die Achillesferse des Verfahrens zu sein und das ist der zentrale Aspekt, an dem gearbeitet werden muss. Dazu wurde ein neues Qualitätssicherungssystem vorgestellt, das einzelne Qualitätsmodule enthält, die einen gesicherten, kontrollierten und dokumentierbaren Prozess ermöglichen. Die heute verfügbaren Möglichkeiten sind besser, als die tradierten Vorurteile des Marktes dies erwarten lassen. Das Qualitätssicherungssystem macht nämlich den Teileaufbau durch die Überwachung des Bauprozesses in Echtzeit transparent. Dabei wird der Hebel an allen Prozesskomponenten angesetzt: chmelzpool, Dokumentation, Prozessgas, Pulver und Temperatur.

Ein zentraler Baustein ist dabei die Überwachung des Schmelzpools in Echtzeit. Das bedeutet konkret die Überwachung des Schmelzpools mit sehr hohen Abtastraten. Da das LaserCUSING ein Mikroschweißverfahren auf kleinem Raum ist – Spurweite ca. 100 μm bei einer Schichthöhe von ca. 20 – 50 μm – ist eine hohe Detailaufl ösung erforderlich. Das Schmelzpool-Modul verfolgt den laufenden Bauprozess mit mehreren Tausend Aufnahmen pro Sekunde. Es analysiert die relevanten Daten der Schmelzspur in Echtzeit. Diese werden von einer eigenen Software dokumentiert und ausgewertet. Ein weiterer Baustein ist das Pulver-Modul. Wichtig ist, dass das Pulver-Modul losgelöst von der Produktionsanlage arbeitet. Das bedeutet, die Siebung des Metallpulvers kann parallel zum Bauprozess stattfinden.

Zudem ermöglicht es hohe Durchsätze bei feiner Maschenweite des Siebs bis unterhalb 50 μm. Das Pulver-Modul ist inertisierbar, also im Innern liegt eine Schutzgasatmosphäre unter Ausschluss von Sauerstoff vor. In der Regel wird das Edelgas Argon verwendet, welches die konstante chemische Zusammensetzung des Metallpulvers gewährleistet.

Das sind Qualitätsmerkmale, die sich bei Güte des Bauteils, bei der Oberfläche und der Bauteilstruktur niederschlagen. Eine umfassende Dokumentation des Prozesses schließlich soll das Ziel der Null-Fehler-Produktion näher bringen. Aktuell wird auch an einer Volumenstromüberwachung im Prozessgasmodul gearbeitet. Konstante Überwachung und Regelung der Sauerstoffkonzentration des Prozessgases gibt es schon. Die Regelung des Volumenstroms ist eine aktuelle Entwicklungsaufgabe. Ziel dieser Maßnahmen ist defi nitiv ein sich selbst regelnder Prozess von hoher Güte, bei hohen Freiheitsgraden in der Geometrie und der Sicherstellung der Wirtschaftlichkeit.

Das LaerCUSING-Verfahren konkurriert mit dem industriellen Gießen und Fräsen in bestimmten Marktsegmenten. Geometriefreiheit bedeutet für den Konstrukteur:

mehr Optionen bei komplexen Strukturen, die zum Teil mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht herstellbar sind. Man denke an den Leichtbau im Flugzeugbau oder an Implantate in der Medizin- oder Dentaltechnik. Hier eröffnet das Verfahren Bauteile mit mikro oder makrozellulärer Struktur unter dem Stichwort „Bionik“. Das Verfahren kann Teile, die die menschliche Knochenstruktur nachahmen, aufbauen und damit geringes Gewicht mit hoher mechanischer Belastungsfähigkeit vereinen. Aber auch rein funktionale, sehr komplexe Strukturen sind machbar. Werkzeugbasierte Techniken stoßen hier an Grenzen, die mit dem LaserCUSING überschritten werden können. Die Konstrukteure sind in ihrem Denken noch geprägt vom Gießen und Fräsen. Im Verfahren wird versucht, die neuen Optionen zu moderieren und Anlagen herzustellen, die neue und intelligente Produktideen für die Zukunft eröffnen.

Beim Oberflächenfinish werden große Fortschritte gemacht. Der einst sprichwörtliche Rauheitsgrad der LaserCUSING-Bauteiloberfl äche ist bei weitem nicht mehr so ausgeprägt wie in der Vergangenheit. Bei Präzisionsteilen kann mit dem Mikroschweißverfahren die Gussszene heute schon in den Schatten gestellt werden, was die Bauteilequalität, insbesondere die Dichte und Oberflächenbearbeitung betrifft. Auch deren mögliche Neigung zu Lunkern und Entmischungen kann umgangen werden, da mit einem feinen Schichtaufbau mittels Laser gearbeitet wird.

Concept Laser hat ein patentiertes Verfahren unter dem Stichwort „Island-Prinzip“ entwickelt. Dabei werden, stochastisch ausgewählt, die Segmente einer Schicht (sogenannte „Islands“) sukzessive abgearbeitet. Metallpulver wird in einem Segment verschmolzen, wandert dann in ein entferntes Segment ab und sorgt so für thermischen Ausgleich auf der der Fläche. Diese Strategie garantiert beim Schmelzprozess eine signifi kante Reduktion von Spannungen im Bauteil. Was die Wirtschaftlichkeit gegenüber dem Gießen betrifft, so gibt es eine Grenze zu etablierten industriellen Verfahren, wenn man an den Druckguss denkt. Der Verfahrensinhaber konnte sich bereits aus dem Prototypenbau lösen und sich in Richtung kleine Serienproduktion bewegen. Auch unter dem Stichwort „Mass Customization“ wird das Verfahren zunehmend serienfähiger. Die Grenze verschiebtsich hin zu höheren Stückzahlen. Der Grund liegt in der heute möglichen Geschwindigkeit des Teileaufbaus durch leistungsstärkere Laser. Es kommen auch Aspekte wie günstigere Pulverpreise oder der simultane und multiple Aufbau mehrerer Bauteile in einem Prozessraum zum Tragen. Definitiv ist die Losgröße immer die Trennlinie zum Druckguss. Die Stückkosten defi nieren die Wahl zwischen einer konventionellen Fertigung gegenüber einer werkzeuglosen, generativen Fertigung – immer unter den Aspekten einer geforderten Qualität, mechanischer Belastbarkeit und Funktionalität. In den drei letzten Punkten liegen, unter einer weiteren anzunehmenden Kostendegression und Technologieentwicklung des LaserCUSING-Verfahrens, die größten Chancen.

Der Horizont weitet sich. Das LaserCUSING-Verfahren bietet noch reichlich Potenzial unter Berücksichtigung der zunehmenden Leistungsstärke des Lasers. Standardmäßig werden 200 W Faserlaser in die Anlagen integriert. Allerdings gibt es schon die ersten installierten Systeme mit 400 W Faserlasern. Der Trend zu leistungsstärkeren Lasern wird weiter anhalten und das bietet dem Verfahren deutlich größere Anwendungsbereiche. Ein anderer Aspekt sind Materialien: Man denke an hochreine Titanlegierungen, die, wenn sie zum Einsatz kommen, den strengen Anforderungen der ASTM-Norm entsprechen müssen. Hochleistungslegierungen werden in der Luft- und Raumfahrttechnik zukünftig stärker nachgefragt.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt setzt bereits die Anlagen des Verfahrens in seinem Technikum ein. Allerdings ist das LaserCUSING-Verfahren vor allem für eine Unikatfertigung prädestiniert.

(* Concept Laser GmbH)

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