Fortschrittliche Technologie zur Laserstrahlformung verbessert den 3D-Druck von Metall

Im Switzerland Innovation Park Biel/Bienne wurde ein neuartiges Modul für die Laserstrahlformung entwickelt, das die vorherrschenden Herausforderungen im LPBF-Prozess lösen soll.

Eine wesentliche Einschränkung der derzeitigen kommerziellen LPBF-Maschinen sind die ungleichmäßigen thermischen Bedingungen, die durch die Laserstrahlen verursacht werden. Derzeitige LPBF-Maschinen verwenden Gauß’sche Intensitätsverteilungen, die die Energie stark auf das Strahlzentrum konzentrieren, was zu übermäßiger Überhitzung und Metallverdampfung führt. Außerdem verhindern die geringere Intensität an den Strahlrändern und die Auswirkungen der Wärmeleitung, dass das Material seinen Schmelzpunkt erreicht.

Diese Gaußsche Verteilung führt zur Bildung eines kegelförmigen Schmelzbades, was einen geringen Lukenabstand erforderlich macht, um eine Überlappung der Spuren zu gewährleisten. Dies mindert jedoch die Produktivität und vergrößert die Wärmeeinflusszone (WEZ) durch wiederholtes Wiederaufheizen. Eine Erhöhung der Gesamtenergiedichte zur Vergrößerung des Schmelzbads ist unwirksam, da sich der Schmelzprozess jenseits eines bestimmten Energiedichte-Schwellenwerts vom Leitungs- zum Schlüssellochmodus verschiebt, was zu einer Prozessinstabilität führt. Der Intensitätsgradient von der Mitte zu den Rändern des Strahls stellt eine große Herausforderung dar und führt zu erheblichen thermischen Gradienten.

In der Forschungsarbeit wird ein räumlicher Lichtmodulator zur Strahlformung eingesetzt, um eine bessere Kontrolle der Temperaturverteilung zu erreichen und die LPBF-Produktivität zu steigern. Diese innovative Technologie ermöglicht eine erhebliche Optimierung des LPBF-Prozesses, indem sie eine präzise Kontrolle über die räumliche Modulation der Energiedeposition im Material ermöglicht. Folglich können die Geometrie des Schmelzbades und die Temperaturverteilung in drei Dimensionen fein abgestimmt werden. Der in dieser Studie verwendete räumliche Flüssigkristall-Lichtmodulator dient als hocheffizientes aktives Strahlformungswerkzeug, das die Anpassung des Transmissionsgrads für jedes Pixel ermöglicht, um die räumliche Strahlqualität der Laserleistung zu verbessern.

Mit dieser Technologie kann der 3D-Druck von Metallteilen nicht nur mit erhöhter Produktivität, sondern auch mit verbesserter Energieeffizienz durchgeführt werden. Im Gegensatz zu den bestehenden Strahlformungstechnologien, wie z.B. Ringformen, ermöglicht diese Technologie die Formung unbegrenzter Laserstrahlformen, was zahlreiche Möglichkeiten für unterschiedliche Ziele und Forschungsaktivitäten bietet.

In Zusammenarbeit mit einer österreichischen Forschungsgruppe an der Montanuniversität Leoben, die für ihre Expertise im Bereich Bulk Metallic Glass (BMG) bekannt ist, wurde die Anwendung der neu entwickelten Strahlformungstechnologie für den Einsatz im LPBF-Prozess von BMGs untersucht. Hohe Festigkeit, eine große elastische Verformungsgrenze, ein niedriger E-Modul sowie eine hohe Korrosions- und Verschleißbeständigkeit sind die Hauptvorteile von BMGs. Die größte Herausforderung bei der Herstellung von BMG mittels laserbasierter additiver Fertigung ist jedoch die unerwünschte Wiedererwärmung und Kristallisation, die die mechanischen Eigenschaften der fertigen Teile verschlechtern können. Daher wurde die Strahlformungstechnologie eingesetzt, um die Wiedererwärmung und die Geometrie des Schmelzbades zu steuern und dadurch die WEZ zu reduzieren, was zu einer Veränderung der amorphen Struktur auf atomarer Ebene führt. Fortgeschrittene Materialcharakterisierungen bestätigen ein nahezu vollständig amorphes Gefüge mit verbesserten Eigenschaften, die derzeit mit den modernsten LPBF-Maschinen nicht erreicht werden können. Das Schema dieser Studie hat es auf die Titelseite der Zeitschrift Advanced Functional Materials geschafft.

Die komplette Arbeit mit dem Titel “Controlling the Glassy State toward Structural and Mechanical Enhancement: Additive Manufacturing of Bulk Metallic Glass Using Advanced Laser Beam Shaping Technology” kann hier abgerufen werden.

Das Projekt wurde von der IRPD AG (Schweiz) und der Schweizer Innovationsagentur (Innosuisse) unterstützt.