Die Laser-Additive-Fertigung (AM) bietet mit ihrer hohen Fertigungsgenauigkeit, Flexibilität und dem hohen Automatisierungsgrad zahlreiche Vorteile und findet breite Anwendung in der Herstellung von Schlüsselkomponenten in Branchen wie der Automobil-, Medizin- und Luft- und Raumfahrtindustrie (z. B. Raketentreibstoffdüsen, Satellitenantennenhalterungen, Implantate usw.). Durch die integrierte Fertigung von Materialstruktur und -eigenschaften kann diese Technologie die Kombinationseigenschaften gedruckter Teile deutlich verbessern. Aktuell verwendet die Laser-Additive-Fertigung im Allgemeinen einen fokussierten Gaußschen Strahl mit hoher Energieverteilung im Zentrum und niedriger am Rand. Dies führt jedoch häufig zu hohen Temperaturgradienten in der Schmelze, was die Bildung von Poren und grobem Korn zur Folge hat. Die Strahlformungstechnologie ist ein neuer Ansatz zur Lösung dieses Problems. Durch die Anpassung der Laserstrahlenergieverteilung werden die Druckeffizienz und -qualität verbessert.
Im Vergleich zu herkömmlichen Subtraktions- und Äquivalenzverfahren bietet die additive Fertigung von Metallen Vorteile wie kurze Fertigungszyklen, hohe Bearbeitungsgenauigkeit, hohe Materialausnutzung und gute Gesamtleistung der Bauteile. Daher findet sie breite Anwendung in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Rüstungsindustrie, der Kernenergie, der Biopharmazie und der Automobilindustrie. Basierend auf dem Prinzip des Schichtaufbaus nutzt die additive Fertigung von Metallen eine Energiequelle (z. B. Laser, Lichtbogen oder Elektronenstrahl), um Pulver oder Draht zu schmelzen und diese Schichten anschließend schichtweise zum gewünschten Bauteil aufzutragen. Diese Technologie bietet erhebliche Vorteile bei der Herstellung von Kleinserien, komplexen Strukturen oder personalisierten Teilen. Auch Materialien, die mit traditionellen Verfahren nicht oder nur schwer verarbeitet werden können, eignen sich für die additive Fertigung. Aufgrund dieser Vorteile hat die additive Fertigungstechnologie national wie international große Aufmerksamkeit in der Forschung auf sich gezogen und in den letzten Jahrzehnten rasante Fortschritte erzielt. Aufgrund der Automatisierung und Flexibilität der Anlagen zur additiven Fertigung mit Lasern sowie der umfassenden Vorteile einer hohen Laserenergiedichte und einer hohen Bearbeitungsgenauigkeit hat sich die Technologie der additiven Fertigung mit Lasern unter den drei oben genannten Technologien zur additiven Fertigung von Metallen am schnellsten entwickelt.
Die additive Fertigung von Metallen mittels Laser lässt sich in LPBF (Laser-Pulverbett-Schmelzen) und DED (Laser-Draht-Auftragsfertigung) unterteilen. Abbildung 1 zeigt ein typisches Schema der LPBF- und DED-Prozesse. Das LPBF-Verfahren, auch bekannt als selektives Laserschmelzen (SLM), ermöglicht die Herstellung komplexer Metallbauteile durch das Scannen hochenergetischer Laserstrahlen entlang einer festen Bahn über die Oberfläche eines Pulverbetts. Das Pulver schmilzt und erstarrt dabei Schicht für Schicht. Das DED-Verfahren umfasst im Wesentlichen zwei Druckverfahren: die Laser-Draht-Auftragsfertigung und die Laser-Draht-Auftragsfertigung. Beide Technologien ermöglichen die direkte Herstellung und Reparatur von Metallteilen durch synchrone Zufuhr von Metallpulver oder -draht. Im Vergleich zu LPBF bietet DED eine höhere Produktivität und eine größere Fertigungsfläche. Darüber hinaus lassen sich mit diesem Verfahren auch Verbundwerkstoffe und funktionsgradierte Werkstoffe herstellen. Allerdings ist die Oberflächenqualität von mit DED gedruckten Teilen oft gering, sodass eine Nachbearbeitung zur Verbesserung der Maßgenauigkeit des Bauteils erforderlich ist.
Im aktuellen Laser-Additiven-Fertigungsverfahren dient üblicherweise ein fokussierter Gaußscher Laserstrahl als Energiequelle. Aufgrund seiner spezifischen Energieverteilung (hohe Temperatur im Zentrum, niedrige am Rand) kann es jedoch zu hohen Temperaturgradienten und Instabilität des Schmelzbades kommen. Dies führt zu einer mangelhaften Formqualität der gedruckten Teile. Ist die Temperatur im Zentrum des Schmelzbades zu hoch, verdampfen zudem niedrigschmelzende Metallelemente, was die Instabilität des LBPF-Prozesses weiter verschärft. Mit zunehmender Porosität verschlechtern sich die mechanischen Eigenschaften und die Dauerfestigkeit der gedruckten Teile erheblich. Die ungleichmäßige Energieverteilung des Gaußschen Laserstrahls führt außerdem zu einer geringen Laserenergieausnutzung und übermäßigem Energieverlust. Um eine bessere Druckqualität zu erzielen, erforschen Wissenschaftler Möglichkeiten zur Kompensation der Nachteile des Gaußschen Laserstrahls durch die Modifizierung von Prozessparametern wie Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Pulverschichtdicke und Scanstrategie, um den Energieeintrag zu steuern. Aufgrund des sehr engen Prozessfensters dieser Methode schränken feste physikalische Grenzen die Möglichkeiten weiterer Optimierungen ein. Beispielsweise lässt sich durch die Erhöhung der Laserleistung und der Scangeschwindigkeit eine hohe Fertigungseffizienz erzielen, die jedoch häufig mit Einbußen bei der Druckqualität einhergeht. In den letzten Jahren konnte durch die Veränderung der Laserenergieverteilung mittels Strahlformung die Fertigungseffizienz und die Druckqualität deutlich verbessert werden, was die zukünftige Entwicklungsrichtung der additiven Laserfertigungstechnologie darstellen dürfte. Strahlformung bezeichnet allgemein die Anpassung der Wellenfrontverteilung des Eingangsstrahls, um die gewünschte Intensitätsverteilung und Ausbreitungseigenschaften zu erreichen. Die Anwendung der Strahlformung in der additiven Metallfertigung ist in Abbildung 2 dargestellt.
Anwendung der Strahlformungstechnologie in der laserbasierten additiven Fertigung
Die Schwächen des traditionellen Gaußschen Strahldrucks
In der additiven Fertigung von Metallen mittels Laser hat die Energieverteilung des Laserstrahls einen signifikanten Einfluss auf die Qualität der gedruckten Teile. Obwohl Gaußsche Laserstrahlen in Anlagen zur additiven Fertigung von Metallen weit verbreitet sind, weisen sie gravierende Nachteile auf, wie z. B. instabile Druckqualität, geringe Energieausnutzung und enge Prozessfenster. Der Schmelzprozess des Pulvers und die Dynamik des Schmelzbades während des additiven Fertigungsprozesses hängen eng mit der Dicke der Pulverschicht zusammen. Aufgrund von Pulverspritzern und Erosionszonen ist die tatsächliche Dicke der Pulverschicht höher als die theoretische. Zudem verursacht die Dampfsäule die Hauptspritzer nach hinten. Der Metalldampf kollidiert mit der Rückwand und bildet Spritzer, die entlang der Vorderwand senkrecht zur konkaven Fläche des Schmelzbades versprüht werden (siehe Abbildung 3). Aufgrund der komplexen Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Spritzern können diese die Druckqualität nachfolgender Pulverschichten stark beeinträchtigen. Darüber hinaus beeinträchtigt die Bildung von Keyholes im Schmelzbad ebenfalls die Qualität der gedruckten Teile. Die inneren Poren des gedruckten Teils werden hauptsächlich durch instabile Verriegelungslöcher verursacht.
Der Entstehungsmechanismus von Defekten in der Strahlformungstechnologie
Die Strahlformungstechnologie ermöglicht Leistungsverbesserungen in mehreren Dimensionen gleichzeitig. Dies unterscheidet sie von Gaußschen Strahlen, die zwar die Leistung in einer Dimension verbessern, dies aber auf Kosten anderer Dimensionen tun. Mit der Strahlformungstechnologie lassen sich Temperaturverteilung und Fließeigenschaften des Schmelzbades präzise anpassen. Durch die Kontrolle der Laserenergieverteilung wird ein relativ stabiles Schmelzbad mit geringem Temperaturgradienten erzielt. Eine geeignete Laserenergieverteilung trägt zur Reduzierung von Porosität und Sputterdefekten bei und verbessert die Qualität des Laserdrucks auf Metallteilen. Dadurch lassen sich verschiedene Verbesserungen der Produktionseffizienz und der Pulverausnutzung erzielen. Gleichzeitig eröffnet die Strahlformungstechnologie neue Bearbeitungsstrategien und erweitert die Gestaltungsmöglichkeiten erheblich – ein revolutionärer Fortschritt in der additiven Laserfertigung.
Veröffentlichungsdatum: 28. Februar 2024
