Anlage für das Laserstrahlschmelzen mit kontinuierlicher und ultrakurzgepulster Laserstrahlung

• Fachliche Zuordnung: Produktionstechnik
• Förderung: Förderung in 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 534960237

Das Laserstrahlschmelzen aus dem Pulverbett (PBF-LB), von z. B. Metallen, ist ein additives Fertigungsverfahren, welches für die Erzeugung hochaufgelöster Strukturen genutzt werden kann. Durch Fokussierung eines kontinuierlich emittierenden (CW) Lasers können kleine Strahldurchmesser und somit hochaufgelöste Strukturen generiert werden. Jedoch ist das PBF-LB für die Verarbeitung von rissanfälligen Materialien wie z. B. Gläsern sehr limitiert, da die prozessbedingten hohen thermischen Gradienten zu Spannungen im Materialinneren führen und so die Rissbildung begünstigen. Ein vielversprechender Ansatz für die rissfreie Verarbeitung solcher Materialien sind ultrakurzgepulste (UKP) Laser. Obwohl die Materialinteraktion mit einem UKP-Laser in PBF-LB-Prozessen unweigerlich auch zum Materialabtrag führt, ergeben sich dennoch kleinere Wärmeeinflusszonen (WEZ): ein Großteil der eingebrachten Wärme wird direkt im abgetragenen Material abgeführt. Eine so minimierte WEZ kann durch die Wahl einer geeigneten Pulsrepetitionsrate des UKP-Lasers zu einer gewünschten Schmelzbadgeometrie ausgeprägt werden. Obwohl hierbei die thermischen Gradienten im Material zwar höher sind als bei CW-Lasern, liegen die thermisch induzierten mechanischen Spannungen unterhalb der Festigkeitsgrenze des spröden Materials aufgrund der deutlich kleineren WEZ. Dadurch ermöglicht der UKP-Laser prinzipiell die rissfreie additive Fertigung auch bei rissanfälligen Materialien. In diesem Vorhaben wird daher eine PBF-LB-Anlage (für Metalle, Keramiken und Silikate) beantragt, die simultan mit einem CW-Laser und einem UKP-Laser betrieben wird. Durch kollineare Führung beider Laser über die gleiche Strahlablenkeinheit ist eine Überlagerung beider Systeme während des additiven Fertigungsprozesses möglich. Ziel ist es, die Potenziale der Kombination beider Laserstrahlquellen für das PBF-LB unter Verwendung des beantragten Großgerätes zu evaluieren. Durch Überlagerung des CW-Lasers mit dem UKP-Laser lassen sich verschiedene Vorteile beim PBF-LB realisieren. So kann der CW-Laser als Vor- und Nachwärmquelle genutzt werden, während der UKP-Laser nur die zum Schmelzen notwendige Wärmemenge einbringt. Somit lassen sich schwerschweißbare Materialien auch in höheren Bauteillagen prozesssicher verarbeiten. Gleichzeitig ermöglicht der UKP-Laser eine Steuerung der Abkühlraten beim PBF-LB. Wird hingegen der CW-Laser für das Aufschmelzen des Pulvermaterials genutzt, kann der UKP-Laser zur lokalen Verdampfung von Material aus eben dieser Schmelze genutzt werden. Dadurch lassen sich die Abkühlbedingungen durch Reduzierung des Schmelzbadvolumens maßschneidern. Neben dem Aspekt der gleichzeitigen Nutzung beider Laser bietet das System weitere Vorteile, da jede Bauteilschicht alterierend nur mit dem UKP-Laser im Regime des „Kalten Abtrags“ prozessiert werden kann. Dies eröffnet vielfältige, bisher nicht nutzbare Möglichkeiten zum Einstellen der internen und externen Bauteileigenschaften.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Anlage für das Laserstrahlschmelzen mit kontinuierlicher und ultrakurzgepulster Laserstrahlung
• Gerätegruppe: 5740 Laser in der Fertigung
• Antragstellende Institution: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
• Leiter: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt