Pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen – Komplexe Bauteile aus dem Pulverbett

Das Pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (engl. Laser Powder Bed Fusion, LPBF) gehört zu den bekanntesten additiven Fertigungsverfahren. Beim LPBF-Verfahren werden die Bauteile durch selektives Laserstrahlschmelzen hergestellt. Dabei wird zuerst der Pulverwerkstoff mit dem Beschichter in einer dünne (10-200µm) Schicht gleichmäßig auf die Bauplatte aufgetragen. Anschließend wird der Werkstoff mit einem gerichteten Laserstrahl selektiv aufgeschmolzen. Danach wird die Bauplattform abgesenkt und der Prozess beginnt von neuen. So entstehen Schmelzspuren nebeneinander, die zusammen eine Schicht ergeben.

Die extrem dünne Schichtstärke ermöglicht eine hohe Detailauflösung der Bauteile. Damit trägt das LPBF-Verfahren zu einer Erweiterung des möglichen Bauteilportfolios über die Grenzen der konventionellen Fertigung hinaus bei und erweitert die Möglichkeiten der realisierbaren Bauteilgeometrie.

Entwicklung des optimalen LPBF-Prozesses

Wie jedes Fertigungsverfahren hat auch das LPBF-Verfahren Vor- und Nachteile. So lässt sich den oben genannten Vorteilen der Bauteilgeometrie entgegensetzen, dass das LPBF-Verfahren vergleichsweise langsam und teuer ist. Besonders für die industrielle Serienreife besteht hier noch Optimierungspotenzial. Daher entwickeln wir am Fraunhofer IPT neue, optimierte Produktionsprozesse für das Pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen.

Bei unseren Untersuchungen betrachten wir das Fertigungsverfahren niemals isoliert, sondern im Kontext der gesamten Prozesskette. Unsere Forscherinnen und Forscher verschiedener Fertigungstechnologien arbeiten eng zusammen, um die bestmöglichen Prozessketten zu realisieren. So identifizieren wir beispielsweise mithilfe von Fertigungssimulationen bereits vor dem Beginn der eigentlichen Fertigung die bestmögliche LPBF-Prozesskette. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Fraunhofer IPT und Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen garantiert darüber hinaus eine reibungslose Integration des LPBF-Verfahrens in bestehende Prozessketten unserer Kunden.

Integration des LPBF in hybride Fertigungsprozessketten

Aus Sicht des Fraunhofer IPT ist ein rein additiver Aufbau eines Bauteils mithilfe des LPBF-Verfahrens nicht immer die kosten- und zeitgünstigste Lösung. Daher ist ein Schwerpunkt unserer Forschungsarbeiten die Weiterentwicklung und Optimierung von »hybriden Prozessketten«.

Unter einer hybriden Prozesskette verstehen wir den additiven Aufbau von Strukturen auf bereits bestehenden Halbzeugen. Diese Halbzeuge können Platten, Schmiede- oder Gusswerkstoffe sein. Halbzeuge können darüber hinaus auch Bauteile sein, die beispielsweise mittels Fräsen, Drehen oder Elektrochemischer Metallbearbeitung (ECM) vorbearbeitet wurden oder nach dem Strukturaufbau nachbearbeitet werden.

Die erfolgreiche Integration in hybride Fertigungsketten ein essenzieller Bestandteil für einen kostendeckenden Einsatz des LPBF-Verfahrens im industriellen Kontext. Mit hybriden Fertigungsprozessen lassen sich Prozesszeit und -kosten sparen, da die »teuren« Verfahren sparsam und gezielt eingesetzt werden. Die hybride Fertigung erweitert das Anwendungsspektrum des LPBF-Verfahrens über die Neuteilfertigung hinaus um Reparaturprozesse.

Unsere Leistungen im Überblick

• Entwicklung kundenspezifischer additiver Fertigungsprozesse
• Prozessentwicklung für industrielle Bauteile
• Auslegung von (hybriden) Prozessketten für das LPBF
• Machbarkeitsstudien für die LPBF-Fertigung
• Bewertung von Industriekomponenten
• Entwicklung und Produktion von Prototypen
• Einbindung der Prozesse in die industrielle Serienfertigung