02.03.2016 Tempo im 3D-Druck

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02.03.2016
Tempo im 3D-Druck
SAVE THE DATE
LASER World of PHOTONICS
Datum: 26. - 29.6.2017
Multi-Laser-Technik beschleunigt additive Fertigungsprozesse.
Eingebettet in automatisierte Prozessketten drängt die Technologie in die
Serienfertigung.
Mit ihrer SLM 500 HL ist die Lübecker SLM Solutions GmbH Trendsetter.
In der Anlage bauen vier Faserlaser aus Metallpulver Bauteile auf.
Solche Multi-Laser-Technik gilt als Königsweg, um die additive Fertigung
zu beschleunigen, größere Bauteile zu drucken und die Produktivität zu
steigern. Das Ziel ist klar: Industrielle Serienfertigung.
Flugzeugbauer wie Airbus und Boeing setzen bereits gedruckte
Serienteile ein. NASA und ESA melden, dass ihre Konstrukteure
Baugruppen aus dutzenden Einzelteilen zu Bauteilen fusionieren, die
sich in einem Stück ausdrucken lassen. Ganze Prozessketten vom
Design bis zum einbaufertigen Bauteil können inhouse abgewickelt
werden. Die Vorteile treiben auch den Maschinen- und Anlagenbau, die
Automobilbranche sowie Medizintechnik und Sportgerätehersteller um.
Der 3D-Druck boomt.
SLM gibt in der Mehrstrahl-Technik den Takt vor. Dank vier mal 700
Watt Laserleistung baut besagte SLM 500 HL Metallteile mit bis zu
105 cm³ pro Stunde auf, obwohl die einzelnen Schichten nur 20
bis 75 µm dünn sind, und das Licht am Belichtungspunkt auf unter
100 µm fokussiert ist. Die Scangeschwindigkeit liegt bei mehreren
Metern pro Sekunde. Gerade die Übergänge zwischen den Lasern
sind eine Herausforderung. „Die Arbeitsbereiche der vier in Reihe
angeordneten Laser überlappen sich“, erklärt Dr. Dieter Schwarze,
SLM-Entwicklungsleiter Additive Prozesse. Die Anlagensteuerung
gewährleiste, dass die Schmelzbereiche der rasenden Lichtkegel perfekt
ineinander greifen und in den Überlappungsbereichen keinerlei Porosität
auftritt.
Mehr Laser – aber nicht mehr Leistung pro Laser
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„Natürlich denken wir darüber nach, ob wir auch acht oder noch mehr
Laser einsetzen können. Und das nicht nur in Planspielen“, räumt
Schwarze ein. Mittelfristig hält er so Aufbauraten von 500 cm³ pro Stunde
für machbar. Multi-Laser-Technik brauche es, da die Schichtdicken
nicht groß zunehmen können und Trägheitskräfte der Spiegel einer
weiteren Beschleunigung der Lichtkegel Grenzen setzen. „Die Leistung
lässt sich nicht viel weiter steigern, da mit zunehmender Energie mehr
Spannung und Verformung im Bauteil auftreten“, sagt er. Wobei sich
der Energieeintrag stets am Material orientiere. Bei Aluminium und
Kupferbasislegierungen seien durchaus Leistungen im kW-Bereich
gefragt.
Auch neue Prozessstrategien erwartet der Experte. Etwa schnellerer
Aufbau mit hoher Laserleistung am Bauteilkern und nach außen hin
filigranere Oberflächenstrukturen mit geringerer Leistung. Über die
Prozessstrategie könne man auch Mikrostrukturen beeinflussen. „Wir
sind in der Lage, ein-kristalline Mikrostrukturen einzubringen, in denen es
keine Korngrenzen gibt und deren Gitter einheitlich in Belastungsrichtung
ausgerichtet ist“, erklärt er. Das prädestiniere additiv gefertigte Bauteile
für Einsätze in Hochtemperaturbereichen. Etwa als Turbinen-Blades.
Zumal sich auch ihr Verschleiß additiv reparieren lasse.
Scanner-Systeme und Faserlaser bleiben vorerst Mittel der Wahl
Fraunhofer-Forscher haben ein Anlagenkonzept umgesetzt, in dem fünf
Diodenlaser über die Bearbeitungsfläche geführt werden. Schwarze sieht
diesen Ansatz skeptisch. Die Masse der Laser stehe einer schnellen,
präzisen Prozessführung im Wege. Zudem hapere es an der Auslastung
der einzelnen Laser. Eine echte Alternative zur heutigen Kombination aus
Faserlasen und Spiegel-Scanner-Systemen sei nicht in Sicht.
Ähnliches ist von der Concept Laser GmbH aus Lichtenfels zu hören,
die mit Airbus und dem Laser Zentrum Nord für den Deutschen
Zukunftspreis 2015 nominiert war. Auch sie setzt auf Faserlaser. Aktuelle
Spitzenanlage ist die X line 2000-R mit zwei 1-kW-Lasern. Noch 2016
soll eine Vier-Laser-Anlage mit optional 4 x 400 W oder 4 x 1.000 W
Laserleistung folgen.
Gesamtprozess im Blick
Die Oberfranken sehen die Multi-Laser-Technik als Teil einer
Gesamtstrategie, mit der sie die Produktivität ihrer Anlagen steigern
wollen. „Wir arbeiten an einer komplett modularen, automatisierten
Prozesskette“, erklärt Daniel Hund, Leiter Marketing und Kommunikation.
Ziel sei die „AM Factory of Tomorrow“, eine digital vernetzte Fabrik á la
Industrie 4.0. Darin können beliebig viele Anlagen kombiniert werden,
und bislang manuelle Prozesse sind automatisiert. Als unabhängige
Module ausgelegte Bauräume gehen sofort nach dem Druckprozess
ins Post-Processing, wo Roboter die gefertigten Bauteile entnehmen,
einer Wärmebehandlung und ihrer Nachbearbeitung zuführen. „Die
Produktivität hängt nicht nur von der Anzahl und Leistung der Laser
ab, sondern auch davon, Totzeiten in den bisher manufakturartigen
Prozessketten zu minimieren“, sagt er.
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Mit der Zukunftsfabrik will Concept Laser den Flächenbedarf der
additiven Fertigung um bis zu 85 Prozent senken. Zudem soll die
Produktivität der Multi-Laser-Technik nicht mehr durch manuelle
Arbeiten aufgezehrt werden. Doch das Unternehmen will auch den
eigentlichen 3D-Prozess optimieren. So soll die geplante Vier-LaserAnlage Baujobs auch beim Ausfall eines Lasers zu Ende führen, indem
der Arbeitsbereich der anderen drei Laser automatisch vergrößert wird.
Zur Aufbereitung des Pulverbetts ist ebenfalls Innovatives angekündigt.
„Ehe wir nächste Stufen der Multi-Laser-Technik in Angriff nehmen,
wollen wir Effizienzpotentiale im Prozess heben“, so Hund. Denn für
eine industrielle Serienfertigung brauche es robuste, automatisierte
Fertigungsketten.
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