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Laser Powder Bed Fusion und Selektives Lasersintern

 

Wie funktionieren Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) und Electron Beam Powder Fusion (EB-PBF)?

Bei den pulverbettbasierten Prozessen, das im engl. Powder Bed Fusion (PBF) bedeutet, wird eine Schicht erzeugt, indem eine pulvertragende Bauplattform in Schritten zwischen typischer Weise 20 µm bis 200 µm abgesenkt wird. Daraufhin verteilt ein Rakel/ein Beschichtersystem gleichmäßig neues Pulver auf der Plattform. Im Fall des Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) fährt nun ein Laser die vorgegebene Kontur der jeweiligen Schicht ab und schmilzt dabei das Pulver, sowie bereits verfestigtes Material vollständig auf. Üblicherweise findet der Druckprozess in einer Inertgasatmosphäre statt, um Oxidationen vorzubeugen. Beim Electron Beam Powder Bed Fusion (EB-PBF) wird statt des Lasers ein Elektronenstrahl verwendet. Deshalb muss der Prozess unter Vakuum durchgeführt werden. Zunächst wird das Pulver im Pulverbett durch einen defokussierten Elektronenstrahl vorversintert, bevor der Bauteilquerschnitt in der entsprechenden Schicht durch einen fokussierten Elektronenstrahl aufgeschmolzen wird. Der Vorgang des Pulverauftrags und des Aufschmelzens wird schichtweise wiederholt, bis das vollständige Bauteil entstanden ist. Um Eigenspannungen zu minimieren und Aufbaufehlern vorzubeugen, werden oft auch Stützstrukturen aufgebaut. Nach dem Abkühlen werden die Pulverreste und, mit einer eventuell zwischengelagerten Wärmebehandlung, Stützstrukturen entfernt. Der Prozess lässt sich durch viele Parameter, wie einen vorgeheizten Bauraum, variierende Strahlleistung oder Scangeschwindigkeit, steuern. Üblicherweise findet der Druckprozess in einer Inertgasatmosphäre statt, um Oxidationen vorzubeugen.

 

Und wie unterscheidet sich LPBF von Selektiven Lasersintern (SLS)?

Auch das Selektive-Lasersintern-Verfahren (SLS) basiert auf der Prozesskette des LPBF-Verfahren, wohingegen die Bauteile durch lasergestützes Verschmelzen von Kunststoffpulver hergestellt werden. Eine pulvertragende Bauplattform wird in Schritten von 100 µm heruntergefahren und der komplette Bauraum der Anlage ist auf knapp unter Schmelztemperatur des verwendeten Pulvers aufgeheizt. Im Gegensatz zum LPBF sind keine Stützstrukturen notwendig, da das Pulver im Bauraum die Stützfunktion übernimmt. Nach dem Abkühlen werden die Bauteile aus dem Pulverkuchen ausgepackt und mittels Glasperlstrahlen werden letzte Pulverreste entfernt. Der Prozess lässt sich durch verschiedene Parameter, wie Bauraumtemperatur, Laserleistung oder Schwindungsfaktoren, steuern. Im Kunststoffbereich findet der Druckprozess unter Stickstoffatmosphäre statt, um Oxidationsreaktionen vorzubeugen.

 

Welche Materialien werden eingesetzt?

LPBF und EB-PBF

  • Metalle (Korrosionsbeständige Stähle- 316L, Werkzeugstahl – H13, 17-4 PH,
  • Aluminiumlegierungen – AlSi12, AlSi10Mg,
  • Titan/-legierungen – Ti-6Al-4V, metastabile β Ti Legierungen, Ti-5Al-5Mo-5V-3C, Titanaluminide,
  • Nickelbasislegierungen – Inconel718)
  • CoCr Legierungen
  • FeCrV
  • Allgemeine Konstruktionswerkstoffe
  • Funktionswerkstoffe (NdFeB, NiTi)
  • Edelmetalle (Kupfer, Gold, Platin)
  • Werkstoffe für den Werkzeugbau
    • Maraging Stähle: 1.2709, 17-4 PH
    • Einsatzstähle: 1.7147 (20MnCr5), 1.7131 (16MnCr5), 1.2764 (X19NiCrMo4)

SLS

  • Kunststoffe PA12, PA11, TPU, sowie PA12 mit verschiedenen Füllstoffen (Glaskugeln, Aluminium- oder Kupferpartikel)

 

Was sind die Vorteile von Laser Powder Bed Fusion und Selektiven Lasersintern?

LPBF und EB-PBF SLS
  • Restporositäten < 0,1 % möglich
  • Verarbeitung einer großen Palette an Werkstoffen
  • Komplexe Bauteilgeometrien möglich
  • Kleinstserien Fertigung möglich
  • Inertgas- bzw. Vakuumatmosphäre zur Vermeidung von Sauerstoffeintrag bei oxidationsempfindlichen Werkstoffen
  • Hohe Genauigkeit
  • Bauteile sind „ready to use“
  • Funktionsintegrationen sind problemlos realisierbar
  • Geometrische Freiheit
  • Wirtschaftliche Fertigung kleiner Losgrößen

 

 

Beide Verfahren ermöglichen eine Bauteildichte bis nahezu 100% und somit Bauteileigenschaften wie bei einer konventionellen Fertigung.

 

Welche Anwendungen gibt es bereits?

LPBF und EB-PBF

Die hohe Genauigkeit, die Freiheiten in der Geometrie und die Vielfalt an Materialien eröffnen den PBF-Verfahren/ LPBF eine Vielzahl von Anwendungsbereichen. Da sich das Verfahren perfekt für komplexe Einzelteile, aber weniger für Mittel- bis Großserien eignet, sind typische Anwendungsszenarien solche mit hohem Qualitätsanspruch und geringerem Preisdruck. So ermöglicht der Druck biokompatibler Metalle wie Titan oder Nickel-Chrom-Legierungen die schnelle, individualisierte Herstellung passgenauer Medizinprodukte. Im Bereich des Leichtbaus und der Luft- und Raumfahrt wird vom Potential der Geometriefreiheit und der Verwendbarkeit konventionell schwer zu verarbeitenden Materialien Gebrauch gemacht, um enorme Gewichtsersparnisse realisieren zu können. Die Geometriefreiheit des Verfahrens wird ebenfalls im Werkzeugbau, durch bspw. Erstellung von innenliegenden Kühlkanälen, und bei der Erstellung von Wärmeübertragerstrukturen ausgenutzt.

SLS

Das SLS Verfahren eignet sich perfekt für komplexe Einzelteile, aber auch für kleinere und mittlere Stückzahlen. Zum Einsatzbereich zählt die Medizintechnik zum einen im Gerätebau und zum anderen bei der Herstellung individualisierter, passgenauer Medizinprodukte vorrangig im Bereich Prothetik und Orthetik. Im Bereich der Luft- und Raumfahrt steht die Gewichtseinsparung bei gleichzeitiger Geometriefreiheit und Reduzierung von Komponenten im Vordergrund. Diese Forderungen können durch das SLS-Verfahren umfassen erfüllt werden. Die Automobilindustrie nutzt das Verfahren seit geraumer Zeit in den Bereichen Design und Entwicklung zur Prototypenherstellung. Des Weiteren werden Montagemodelle oder Serienteile mit geringer Stückzahlen realisiert. Relativ neu ist der Einsatz lasergesinterter Bauteil im Bereich des Bauwesen und den Designabteilungen verschiedener Möbelhersteller.

Ansprechpartner

für Laser Powder Bed Fusion:
Samira Gruber

(Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS)

Telefon +49 351 83391-3296
samira.gruber@iws.fraunhofer.de

 

für Selektives Lasersintern:
Juliane Thielsch

(Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU)

Telefon +49 351 4772-2130
juliane.thielsch@iwu.fraunhofer.de

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