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Das am LHM etablierte Verfahren des Mikro-SLM ist eine Weiterentwicklung des bereits seit mehreren Jahren in der Industrie etablierten „makroskopischen“ Selektiven Laserschmelzen (SLM). Unter Verwendung von idealen Parametern wurden unter Zuhilfenahme der VDI3405 Bauteile, Teststrukturen unterschiedlicher Art und Struktur und ein Demonstrator aus den Edelstahlpulvern 316L und 17-4PH angefertigt. Die Besonderheiten des Verfahrens sind der geringe Fokusdurchmesser von <30 μm und die geringen Pulverkorngrößen von <10 μm. Dadurch können Bauteile mit extrem kleinen Strukturauflösungen realisiert werden.
Ziel der vorliegenden Arbeit war zunächst die theoretische Untersuchung von ausgewählten Aspekten des speziellen Verfahrens. Durch experimentelle Untersuchungen sollten die theoretischen Überlegungen und Modelle überprüft wer-den. Es sollte u.a. geklärt werden, wie der Aufbauprozess abläuft und welche physikalischen Parameter ihn entscheidend beeinflussen. Insbesondere sollte auf die Wechselwirkung von Laserstrahlung und Pulverpartikel sowie von Laserstrahlung und Substrat bzw. Mikrokörperoberfläche eingegangen werden. Weiterhin sollte eine Betrachtung der thermischen Prozesse durch Simulation und deren Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen einer Temperaturfeldmessung stattfinden. Als Probenkörper dienten generierte dünnwandige Bauteile mit unterschiedlichen Höhen und Längen. Als Abschluss sollten die gewonnenen Erkenntnisse zum Verfahren Micro Cladding mit gepulster Laserstrahlung mit dem bisherigen Micro Cladding und dem Lasermikrosintern verglichen werden.
Das Makro-SLM ist eine Weiterentwicklung des etablierten laser-pulverbettbasierten 3D-Drucks von Metallbauteilen (auch SLM oder L-PBF). Durch die Steigerung von Laserleistung, Spotdurchmesser, Schichtdicke und Pulverkorngröße werden Strukturauflösung im Millimeter- statt wie üblich im Mikrometer-Bereich erzeugt. Dies wiederum ermöglicht eine enorme Steigung der Aufbaurate bis aktuell 1.300 cm³/h. Es ähnelt damit den Strukturauflösungen und Aufbauraten beim Auftragschweißen. Das stützende Pulverbett bietet jedoch den Vorteil komplexere Geometrien zu realisieren. Makro-SLM vereint damit die Vorteile beider Welten: hohe Gestaltungsfreiheit bei gleichzeitig hoher Produktivität. Ziel ist es, mit dem Makro-SLM komplexe, endkonturnahe Metallbauteile in Kubikmeter-Dimensionen herstellen. In der vorliegenden Veröffentlichung werden das neue Anlagenkonzept erläutert und prozesstechnische sowie mechanische Kennwerte benannt. Abschließend werden verschiedene aktuelle Anwendungen vorgestellt und ein Ausblick zu den geplanten Entwicklungen gegeben.
Der Einsatz von Polygonspiegelscannern zur ultraschnellen Strahlablenkung im Mikro-SLM besitzt das Potential, die Effizienz dieses Fertigungsverfahrens um ein Vielfaches zu steigern. Durch die hohen Scangeschwindigkeiten von bis zu 100 m/s kann die Bestrahlungszeit deutlich reduziert werden, ohne dabei die hohe Auflösung des Verfahrens zu beeinträchtigen. In ersten Untersuchungen zeigte sich, dass aufgrund der kurzen Wechselwirkungszeiten im Bereich einiger 100 ns und der Verwendung von hohen mittleren Laserleistungen die Verdampfung von Pulvermaterial den für die Schichtbildung maßgeblichen Prozess darstellt. Die so entstehenden Schmelzspuren weisen eine inhomogene Oberflächenstruktur sowie eine hohe Porosität auf. Durch die Anpassung der Prozessparameter konnten dennoch Strukturbreiten kleiner 100 μm und relative Dichten größer 94 % erzeugt werden.
Das Mikro-SLM ermöglicht die Herstellung von Präzisionsbauteilen mit sehr geringen Abmessungen. Eine wesentliche Rolle für den Prozess spielt die in das pulverförmige Ausgangsmaterial eingebrachte Energie. Durch die Nutzung verschiedener Bestrahlungsregime mit kontinuierlicher und gepulster Bestrahlung kann der Energieeintrag variiert werden. In vergleichenden Untersuchungen konnten mit beiden Betriebsarten hohe Bauteildichten sowie hohe Strukturauflösungen generiert werden. Für beide Bestrahlungsregime wurden limitierende Faktoren für den Aufbau von Volumenkörpern festgestellt, welche nutzbare Prozessparameter einschränken. Unter Verwendung von kontinuierlicher Bestrahlung konnten höhere Aufbauraten erreicht werden.