Nächste Generation von SLM-Anlagen

Die erfolgreiche Ausweitung des Additive Manufacturing für die Serienproduktion steht und fällt mit der Skalierbarkeit der Bauraumgrösse und Produktivität entsprechender Fertigungsanlagen. Das betrifft auch das am Fraunhofer ILT entwickelte Selective Laser Melting (SLM), ebenfalls bekannt als Laserstrahlschmelzen oder Laser-Powder Bed Fusion (L-PBF).

Weiterentwicklung der SLM-Technik

In Aachen entstand eine neue SLM-Laboranlage mit einem sehr grossen, effektiv nutzbaren Bauraum, der wesentlich grösser als bei bisherigen kommerziellen SLM-Anlagen ausfällt. Mit dem aufgebauten System will das Fraunhofer ILT demonstrieren, dass auch grosse SLM-Anlagen realisierbar sind. Christian Tenbrock, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Gruppe Rapid Manufacturing: «Im Fokus der Entwicklungen stehen neue Strategien zur Belichtung und zur Schutzgasströmung.»

Bisherige Strategien der Schutzgasabsaugung sind bei einem sehr grossen Bauraum nicht mehr effektiv. Die Wissenschaftler setzen stattdessen auf kleine, verfahrbare Bearbeitungsköpfe mit einem lokalen Schutzgasführungssystem, das einen gleichbleibenden Schutzgasstrom an jeder Bearbeitungsstelle für beliebig grosse Bauräume garantiert.

Forschen mit unterschiedlichen Laser- und Optiksystemen

Am Fraunhofer ILT werden sowohl Systeme mit Faserlasern als auch Belichtungskonzepte mit kostengünstigen Diodenlasern erprobt. Neben den etablierten Scannersystemen mit Spiegeln untersuchen die Experten einen mit hochdynamischen Linearachsen bewegten Bearbeitungskopf mit mehreren individuell steuerbaren Diodenlasern. Der Vorteil dieser sogenannten Multispot-Bearbeitung: Die Aufbaurate des Systems lässt sich durch Erhöhen der Anzahl an Strahlquellen signifikant und kosteneffizient steigern.

Mit dem neuen Anlagenkonzept lässt sich zudem eine Bauraumvergrösserung ausschliesslich durch grössere Verfahrwege des Achssystems – ohne Änderung des optischen Systems realisieren. Tenbrock: «Weil beide Optiksysteme ihre charakteristischen Vor- und Nachteile besitzen, werden wir weiterhin beide Ansätze verfolgen.»

Mit den bei der Forschungsarbeit gewonnenen Erkenntnissen sollen Anlagenbauer Grundlagen erhalten, um die nächste Generation von SLM-Anlagen zu entwickeln und zu bauen. «Wir hoffen darauf, dass mit dem Anlagenkonzept der Durchbruch für dieses Verfahren in der Serienproduktion gelingt», meint Tenbrock. Für das Konzept spricht die einfache Skalierbarkeit von SLM-Anlagen: Weil die Anpassung der Schutzgasabsaugung und Optik entfällt, lässt sich die Bauraumgrösse leichter als bisher an die jeweilige Anwendung angleichen. Tenbrock: «Wir schaffen einfach zu kontrollierende und konstante Prozessbedingungen und verbessern so die Prozessrobustheit. »

Mehrwert dank intelligenter Bearbeitungsstrategien

Ein weiterer, besonders für Anlagenentwickler wichtiger Punkt: Die Wissenschaftler entwickeln nicht nur die Anlagentechnik, sondern auch die Parameter für eine effiziente Prozessführung. «Der Mehrwert entsteht mit intelligenten Strategien zur Belichtung und Bahnführung sowie geeigneten Prozessparametern», so der Wissenschaftler. Das langfristige Ziel dieser Entwicklung ist nicht nur das Erschliessen neuer Anwendungen für das SLM, sondern auch die Beschäftigung mit Herausforderungen wie Bauteileigenspannungen und -verzug. Mit dem neuen Anlagenkonzept sollen sich vor allem funktional optimierte SLM-Strukturbauteile im XXL-Massstab für anspruchsvolle Branchen wie die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie oder den Werkzeug- und Formenbau herstellen lassen – entsprechend der neuen Trends im Leichtbau und bei der Funktionsintegration.