Additive Fertigung: Alles oder nichts

Schicht für Schicht optimal kontrollieren

 

Die Additive Fertigung zusammen mit 3D-CAD-Anwendungen haben die Art und Weise wie Prototypen und individuell angepasste mechanische Komponenten entwickelt und gefertigt werden signifikant verändert. Zurzeit beobachten wir weitere, tiefgreifende Veränderungen im Markt durch Selective Laser Melting (SLM) oder Selective Laser Sintering (SLS), auch bekannt unter der Bezeichnung metallischer 3D-Druck. Längst sind diese innovativen Technologien als Standard zur Entwicklung kritischer, individuell anpassbarer und schwer herstellbarer Teile avanciert. Allerdings sollte dabei die akribische Qualitätskontrolle nicht vergessen werden: Schon geringste Abweichungen in einer einzigen Schicht können die Stabilität des gesamten Bauteils gefährden. Gerade bei Anwendungen in Luft- und Raumfahrt aber auch in der Medizintechnik gilt es dies unbedingt zu verhindern. Der präzisen Funktion des verwendeten Lasers kommt hier eine Schlüsselrolle zu.

 

Metallischer 3D-Druck
Der Zauber beginnt, sobald der Strahl des Hochleistungs-Faserlasers auf die Schicht aus feinstem Metallpuder gerichtet wird. Der Laser zeichnet die Umrisse der Komponente nach und schmilzt dabei eine nur hauchdünne Schicht des Metallpuders, die in etwa einige wenige Mikrometer dick ist. Schicht für Schicht entsteht so aus einem 3D-Entwurf eine belastbare, exakte und reproduzierbare mechanische Komponente.

 

 

 


Abb. 1: Funktionsprinzip des metallischen 3D-Drucks.

 

Laserparameter kennen
Doch - wie schon erwähnt - der Teufel steckt im Detail: Das Metallpuder muss gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt werden, gleichzeitig gilt es den eingesetzten Laserstrahl hinsichtlich seiner Dimension, Leistung und Fokuslage exakt zu kennen. Nur so kann das Metall vollständig geschmolzen und damit jede einzelne Schicht nach den vorgegebenen Anforderungen erstellt werden. Nur die regelmäßige Prüfung der Leistungsdichte und Position des Laserstrahls gewährleistet, dass das Metallpuder gleichmäßig schmilzt ohne einzelne Bereich zu überhitzen. Die direkte Messung der Parameter des Laserstrahls sollten aus diesem Grund vor und nach der Produktion jedes kritischen Teils durchgeführt werden.

 

Herausforderung
Die Messung von Laserleistung und Strahlprofil erscheint in Zeiten, in denen Laser für vielfältige Zwecke von der Mückenabwehr bis zu persönlichen elektronischen Sicherheitssystemen genutzt werden, schon fast allgegenwärtig. Die Messung des aktuellen Laserstrahls, der mit dem Metallpuder reagiert, ist hingegen alles andere als einfach: Die größte Herausforderung besteht darin, dass die Leistungsdichte und die Fokusform bei jedem Schmelzvorgang gleich sein müssen, der Laserstrahl jedoch in unterschiedlichen Winkeln auf die plane Fläche auftrifft. Daraus ergeben sich unterschiedliche Entfernungen zwischen Bauteil und Laserkopf. Um auch Bauteile mit größerer Ausdehnung korrekt fertigen zu können, nutzt die Industrie vor allem zwei optische Abbildungsverfahren:

  • Einsatz einer Planfeldlinse (typische Anwendung bei kleineren Feldgrößen bis 200x200 mm2)
    Im Gegensatz zu einer Standard-Linse fokussiert die Planfeldlinse den Strahl auf eine ebene Fläche und nicht auf eine sphärische.

    Abb. 2: Unterschied zwischen einer Planfeldlinse und einer Standard-Linse
     
  • 3-Achs-Scanner (typischerweise bei größeren Feldern)
    Der Laserstrahl trifft zunächst auf ein optisches Element bestehend aus einer festen und einer linear verschiebbaren Linse, die für den Längenausgleich auf der z-Achse sorgen. Anschließend übernimmt eine Linse die Fokussierung des Strahls. Über Galvanometer werden daraufhin Spiegel gesteuert, die den Laserstrahl in x- und y-Richtung ablenken. Auch dieses System dient dazu, die Leistungsdichte des Strahls auf der planen Bearbeitungsfläche konstant zu halten, um die Schichten gleichmäßig zu erstellen.

Bei beiden Verfahren ist es entscheidend, zunächst das Profil der Leistungsdichte des Sensors zu kennen. Gesamtleistung, Fokusgröße und Fokusebene beschreiben den Strahl während des Arbeitsvorgangs, doch diese Parameter können sich verändern, wenn sich die Optiken im Strahlengang mit der Zeit erhitzen. Zahlreiche Messverfahren wurden schon eingesetzt, um diese Variablen zu verstehen und Verfahren zu entwickeln, um diese auszugleichen und so konsistente Messergebnisse zu erhalten.

 

 

 

Hybride Messgeräte
Kameras, bewegte Lochblenden und berührungslose Strahlprofilmessgeräte, die auf der Raleigh-Streuung basieren, werden genutzt, um den Strahl zu analysieren. Diese Messgeräte helfen dem Anwender eines SLM- oder SLS-Systems dabei den Strahl prinzipiell zu beurteilen. Zusätzlich sollte ein kalibriertes Leistungs- oder Energiemessgerät genutzt werden, um das Profil der Leistungsdichte basierend auf gültigen Standards ermitteln zu können. Dazu werden hybride Systeme zur Lasermessung benötigt, die sowohl Leistung oder Energie messen, das Strahlprofil erfassen und Sensoren zur Lokalisierung des Laserstrahls beinhalten. Erst solche Kombi-Systeme liefern dem Anwender ein umfassendes Bild des Laserstrahls samt seiner Lokalisierung und bieten die entsprechende Konsistenz der Parameter.

 

Zu beachten gilt es dabei:

  • Die Kamera muss sich direkt auf der Konstruktionsebene befinden, so dass ein präzises Profil der Leistungsdichte des genutzten Laserstrahls erstellt werden kann.
     
  • Der Lüfter des Leistungsmessgeräts sollte in der Lage sein, den Messkopf zwischen den Messungen zu kühlen.

 

 

Qualität nachhaltig sichern
Tests in Produktionsumgebungen zeigen immer wieder, dass eine konsequente und präzise Messung des Laserstrahls die Qualität der im metallischen 3D-Druck gefertigten Teile positiv beeinflusst. Insbesondere bei kritischen Bauteilen sollte auf diese Prüfung nicht verzichtet werden. Selbstverständlich gelten die Erläuterungen auch beim Sintern von Formsand oder Kunststoffen. Welche Messgeräte sich bei einer individuellen Anwendung im Bereich SLS oder SLM eignen, ermitteln unsere Experten immer bei einer persönlichen Demo vor Ort beim Kunden.

 

Autoren: Christian Dini und Dick Rieley