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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit experimentellen Untersuchungen zum Hochleistungs-SLM mit Strahlformung. Ein zirkularer Laserstrahl mit Top-Hat-Intensitätsverteilung im Fokus diente als Ausgangsstrahl, welcher mithilfe Zylinderlinsen zu elliptisch ähnlichen Profilen geformt wurde. Es wurde mit 6 verschiedenen Strahlformen Versuche zur Generierung von Wandstrukturen jeweils in longitudinaler und transversaler Bearbeitungsrichtung durchgeführt. Dabei wurden die Laserleistung, Geschwindigkeit, Pulverschichtdicke und Pulvermaterial aus Edelstahl variiert. Zur Bewertung der Prozessstabilität werden die generierten Wände in verschiedene Kategorien klassifiziert. Der Einfluss unterschiedlicher Strahlprofile auf die Prozessstabilität beim Hochleistungs-SLM wird analysiert. Hinsichtlich des Prozessfensters, der Aufbaurate und der Energiedichte (Energieeffizienz) werden die Ergebnisse verschiedener Strahlformen bezüglich vergleichbarer Strahlbreite (Auflösung) miteinander verglichen und diskutiert. Letztendlich werden die Einflüsse von longitudinal und transversal elliptischen Strahlformen auf die Mikrostruktur und Härte gegenübergestellt.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit ersten systematischen Untersuchungen zum Hochgeschwindigkeits-μSLM von Edelstahl. Die ultraschnelle Strahlablenkung wird mithilfe eines Polygonspiegelscanners realisiert. Auf Grundlage einer umfangreichen Literaturrecherche werden die physikalischen Vorgänge während der Bestrahlung eines Pulverbetts mit fokussierter Laserstrahlung erläutert. Das so gewonnene Wissen wird zur Entwicklung eines numerischen Modells für die Prozesssimulation genutzt. In experimentellen Untersuchungen wird der Einfluss der Scangeschwindigkeit, der Schichtdicke und des Linienabstandes auf die erzeugbaren Strukturen ermittelt. Die starke Verdampfung von Material während der Bestrahlung und die daraus folgenden Effekte werden ausführlich diskutiert und abschließend ein Überblick zur weiteren Optimierung des Verfahrens 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.
In der Arbeit hat man die Funktionalität eines firmeneigenen Versuchsstandes für das Selective Laser Melting getestet. Dabei wurden mehrere Bauteile gefertigt und diese hinsichtlich ihrer äußerlichen Beschaffenheit beurteilt. Es erfolgten mehrere Anpassungen bezüglich der Anlagenkomponenten und der gewählten Prozessparameter. Die Arbeit verdeutlicht die Vielfalt der Einflussfaktoren auf die Bauteilqualität und den Prozessablauf.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung eines Hybridbauteiles, das in Kombination von additiver und konventioneller Fertigung hergestellt wurde. Zu Beginn wird auf das Pulverbettverfahren eingegangen. In den Voruntersuchungen erfolgt eine Zusammenstellung der feststehenden und veränderbaren Randbedingungen sowie Parameter bezüglich der verfügbaren Anlage. Dazu gehören die Erstellung und die Optimierung von Proben, um die höchstmögliche Dichte einzustellen. Im Anschluss werden Hybridbauteile hergestellt und die erzeugte Verbindung geprüft. Die erzeugten Verbindungen werden mit variierenden Raheiten versehen, die mittels des Lasers auf der Substratoberfläche erzeugt werden.
Durch den Einsatz eines Lasers mit einer grünen Wellenlänge von 515 nm, können stark reflektierende Materialien verarbeitet werden. Dies ermöglicht auch die additive Fertigung von Kupfer und Kupferlegierungen, die mit Infrarotwellenlänge nur schwer zu verarbeiten sind. In diesem Vortrag wird der Fortschritt bei der Herstellung von Kupfer und Kupferlegierungen mit dem grünen Laser, der durch die Erforschung von Prozessparametern erzielt wurde, präsentiert, es wird auf die einzigartigen Herausforderungen der Laserbearbeitung von hochreflektierenden, hochleitfähigen Materialien eingegangen und es wird ein direkter Vergleich zur Bearbeitung mit infrarotem Laser vorgenommen. Dabei werden Eigenschaften wie das Gefüge, die Dichte sowie die Härte untersucht. Dabei werden die folgenden beiden Verfahren betrachtet: das pulverbettbasiertes Laserschmelzen und das Laserauftragschweißen. Zum Schluss wird eine Übersicht mit möglichen Applikationen und Anwendungen, die für diese Verfahren geeignet sind, dargestellt.
Entwicklung eines SLM-Prozesses für die Fertigung eines
topologieoptimierten Aufbohrwerkzeuges
(2023)
Mittels des additiven Pulverbettverfahrens Selective Laser Melting (SLM) können schichtweise Bauteile mit gleichwertigen Werkstoffeigenschaften des Vollmaterials generiert werden, wodurch sich viele Vorteile gegenüber den traditionellen Fertigungsprozessen ergeben. So können Features wie innenliegende Bohrungen für Kühlschmiermittel, bionische Strukturen zur Gewichtsreduktion oder Verstärkungen entsprechend mechanischer Belastungen in das Bauteil integriert werden. Ein weiterer Ansatz ist Gegenstand des ZIM-Projektes „FlexROUND“ und wird hier dargestellt. Durch Einbringung von filigranen Strukturen bzw. Gitternetzen in Bauteile soll eine definierte elastische Verformung unter Vorgabe einer konkreten Belastung ermöglicht werden. Dies geschieht durch Variation der Elementarzellengeometrie und der Anpassung der Gitterkonstante um eine gewünschte Nachgiebigkeit zu erhalten. Durch gezielte Veränderung der Füllstrategie können somit elastische Wände aus nur einer einzelnen Laserspur generiert werden. Erste Prüfkörper aus Werkzeugstahl 1.2709 wurden im orthogonalen Drehversuch am Material AW-2007 und C45 getestet und deren Verformung über entsprechende Sensorik erfasst. Die aufgenommenen mechanischen Kennwerte wurden in einer Werkstoffdatenbank
zusammengetragen und dienen als Basis für die simulationsbasierte Auslegung neuer Gitternetze für eine definierte Verformung bei entsprechender Belastung. Die gezeigten Ergebnisse fließen später in die Entwicklung eines Bohr- und Reibwerkzeuges für die CFK-Bearbeitung ein, um die Prozessstabilität zu steigern, die Werkzeugstandzeit zu erhöhen und die Bohrlochqualität zu verbessern
Das Selektive Laserschmelzen ist einer der vielen pulverbettbasierten Fertigungsverfahren, die in vielen Industriebereichen ihren Einsatz findet. Vorallem in der Luftfahrtbranche werden vermehrt Bauteile aus Titanlegierungen
mit diesem Verfahren hergestellt. Hohe Sicherheitsanforderungen zwingen daher, die Pulverqualität stets zu gewährleisten, weswegen die Auswirkungen bei Verunreinigungen in diesem Beitrag Untersuchungsgegenstand waren
Der noch vor wenigen Jahren als neue industrielle Revolution gelobte 3D Druck ist wieder zurückgekehrt auf den Boden der Tatsachen.
Für den privaten Bereich haben sich FDM und SLA Drucker etabliert. Hierbei nehmen FDM Drucker den Löwenanteil der heimischen Werkbänke in Beschlag, SLA Drucker haben sich erst durch technische Innovationen der letzten Jahre und den damit einhergehenden Preissenkungen und erhöhten Bedienkomfort vereinzelt Zugang zu den Privatanwendern verschaffen können.
Im industriellen Bereich, besonders im Bereich der Automobilzulieferindustrie dominieren SLS und SLM Technologien den Bereich der Additiven Fertigung. Sie versprechen eine große Materialauswahl, vergleichsweise präzise Fertigung und im Falle von SLM die Möglichkeit annähernd homogene Metallbauteile additiv zu fertigen.
Von Revolution spricht heute keiner mehr, jedoch ist die additive Fertigung aus der Industrie nicht mehr wegzudenken. Ein hilfreicher Indikator für den wachsenden Stellenwert der additiven Fertigung ist das Jährliche Umsatzvolumen der AM–Industrie und ihr Wachstum.
Weltweit setzte die AM-Industrie im Jahre 2017 7,336 Milliarden € um. Eingerechnet in diese Zahl sind alle Produkte und Dienstleistungen der AM-Industrie.1 Dies entspricht einem Wachstum von 21% im Vergleich zum Vorjahr, gegenüber 17,4% und 25,9% in den Jahren davor.2 Nur 610,5 Millionen € hiervon wurden im Bereich der Desktop 3D Druck Systeme unter 5000€ umgesetzt3. Dieser geringe Anteil am Gesamtvolumen des Marktes zeugt vom Stellenwert der additiven Fertigung im Industriellen Kontext. [1]
Besonders im Bereich der Fertigungshilfsmittel und Vorrichtungen ist 3D Druck bereits heute im industriellen Umfeld stark vertreten. Dies liegt vor allem an der Tatsache, dass aufgrund werkzeugloser Fertigung bereits Klein- und Prototypen Serien wirtschaftlich realisiert werden können.
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.
Die additive Verarbeitung der Titanlegierung Ti-6Al-4V mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (LPBF) ist gut erprobt und in der Luftfahrt bereits im Serieneinsatz. Dabei gibt es erhebliche Einschränkungen hinsichtlich
Bauteilgestaltung und erzielbarer Maßhaltigkeit. Die Ursache dafür findet sich im thermischen Eigenspannungsprofil des Legierungssystems, was zu einem erheblichen Bauteilverzug infolge der additiven Fertigung führen kann. Daher müssen derartige Komponenten sehr steif ausgeführt werden oder es ist ein hoher Einsatz von zusätzlichem Stützmaterial erforderlich. Zur Lösung dieses Problems können metastabile Titanlegierungen, wie etwa Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr, herangezogen werden. Der vorliegende Beitrag umfasst die LPBF-Verarbeitung der Legierung Ti-5553 mit robusten Prozesskenngrößen, resultierender Oberflächengüte sowie die Untersuchung geeigneter Wärmebehandlungen mit zugeordneten mechanischen Eigenschaften