Selective Laser Micro Melting (Mikro-SLM)

Mikro-SLM ist ein pulverbettbasiertes additives Fertigungsverfahren für die Herstellung von Mikrobauteilen aus Metall. Das Verfahren basiert auf dem Prinzip des selektiven Laserstrahlschmelzens (engl. Selective Laser Melting – SLM oder Laser Powder Bed Fusion – L-PBF), jedoch mit einigen Besonderheiten. Dazu gehören die Verwendung von sehr feinen Pulvern mit Korngrößen < 10 µm, Fokusdurchmessern < 30 µm und einer Verdichtung des Pulvers mit einer eigens entwickelten Rakeleinheit. Durch die Anpassungen lassen sich maximale Strukturauflösungen lateral bis zu 40 µm und vertikal bis zu 5 µm erzielen. Des Weiteren weisen die Bauteile eine geringe Oberflächenrauheit von Ra ≤ 3 µm auf. Durch Nachbehandlungsschritte wären sogar Ra-Werte kleiner 1 µm möglich. Die bisher getesteten Metalle sind Edelstahl, Molybdän und Wolfram.

Die Aufbauraten und damit auch die Produktivität sind aufgrund der höheren Strukturauflösung im Vergleich zum kommerziellen SLM jedoch deutlich geringer. Daher ist das Verfahren derzeit eher für Mikrobauteile geeignet, was sich im kleineren Bauraum wiederspiegelt. Neuste Forschungen befassen sich daher auch mit der Steigerung der Produktivität. Hierzu wird die Laserleistung von wenigen 10 W auf mehrere 100 W erhöht. Um jedoch die hohen Laserleistungen im Mikrometerbereich umsetzen zu können bedarf es auch einer Erhöhung der Scangeschwindigkeit. Dafür kommt ein am Laserinstitut Hochschule Mittweida entwickelter Polygonspiegelscanner zum Einsatz. Während herkömmliche Scansysteme den Laserstrahl nur mit wenigen Metern pro Sekunde ablenken können, schafft der Polygonspiegelscanner über 1 Kilometer pro Sekunde. Erste Untersuchungen für die Verfahren Hochrate Mikro-SLM zeigten bereits, dass die Laserleistung ohne Verluste der Detailauflösung um das 10-fache gesteigert werden konnte. Mit der Steigerung der Laserleistung erhöht sich im fast gleichen Verhältnis auch die Produktivität, was zukünftig die Herstellung von Mikrobauteilen deutlich kostengünstiger macht. Durch die Steigerung der Produktivität wäre erstmals auch die Fertigung von größeren Bauteilen mit gesteigerter Detailauflösung wirtschaftlich realisierbar.

 

In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Merkmale von SLM, Mikro-SLM und Hochrate Mikro-SLM gegenübergestellt:

SLMMikro-SLMHochrate Mikro-SLM
Hersteller / AnlageSLM Solution (SLM 280 HL)FuE-Anlagen (Eigenbau)FuE-Anlagen (Eigenbau)
Bauraum280 x 280 x 350 mm³40 x 40 x 40 mm³80 x 60 x 40 mm³
Bearbeitungsregimecwcwcw
Laserleistungbis zu 400 Wbis zu 400 W≥ 400 W
Fokusdurchmesser50 - 150 µm< 30 µm< 30 µm
Strahlablenkung0,5 - 2 m/s1 - 4 m/s≥ 50 m/s
Korngröße Pulverd90 < 100 µmd90 < 10 µmd90 < 10 µm
Schichtdicke20 - 50 µm≤ 10 µm≤ 5 µm
min. Wandstärke100 - 200 µm40 µm≤ 30 µm
Genauigkeit± 50 µm± 10 µm± 10 µm
Oberflächenrauheit (Ra)15 - 30 µm2 - 5 µmin Entwicklung
Bauteildichte> 99,5 %> 99,5 %in Entwicklung
max. Aufbaurate (Edelstahl)
16 cm³/h1,5 cm³/hbis 7 cm³/h
                                                                                                                                                                                                                                                               

 

BeAM_4INDU (Bedarfserhebung Additive Manufacturing für (4) INDUstrialisierung)

Laufzeit: 2019 - 2020
Förderung: BMBF (AGENT 3D)
Projektpartner:
  • Fraunhofer IWS Dresden
  • Fraunhofer IKTS Dresden
  • TU Dresden
  • Fraunhofer IWU Chemnitz
  • Fraunhofer IPK Berlin
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Exner

 

Stiftungsprofessur “Innovative Lasertechnologien”

Laufzeit: 2018 - 2023
Förderung: Industrie (Initiatoren: Prof. Dr.-Ing. Dr. hc. Horst Exner, Prof. Dr.-Ing. Udo Löschner)
Projektpartner:
  • 3D-Micromac AG Chemnitz
  • ACSYS Lasertechnik GmbH Kornwestheim
  • EdgeWave GmbH Innovative Laser Solutions Würselen
  • fiberware Generalunternehmen für Nachrichtentechnik GmbH Mittweida
  • IMM electronics GmbH Mittweida
  • InnoLas Solutions GmbH Krailling
  • JENOPTIK Automatisierungstechnik GmbH Jena
  • KOKI TECHNIK Transmission Systems GmbH Niederwürschnitz
  • LASERVORM GmbH Altmittweida
  • LIM Laserinstitut Mittelsachsen GmbH Mittweida
  • Maicom Quarz GmbH Posterstein
  • SITEC Industrietechnologie GmbH Chemnitz
  • ULT AG Löbau
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. A. Streek

 

Smart University Grid Saxony5 - Wissensströme intelligent vernetzen, TP: Co-Creation Lab Additive Fertigung

Laufzeit: 2018 - 2022
Förderung: BMBF (Innovative Hochschule)
Projektpartner:
  • HTW Dresden (Verbundkoordination)
  • HTWK Leipzig
  • Hochschule Zittau/Görlitz
  • Westsächsische Hochschule Zwickau
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Exner

 

Entwicklung innovativer Lasertechnologien für die sächsische Wirtschaft (Eila-Sax)

Laufzeit: 2018 - 2021
Förderung: SMWK / EU (ESF Nachwuchsforschergruppe)
Projektpartner:
  • Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Exner
  • Prof. Dr. rer. nat. habil. A. Horn
  • Prof. Dr. rer. nat. S. Weißmantel
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. U. Löschner
Webseite: www.laser.hs-mittweida.de/institut/projekte/eila-sax.html

 

Zwanzig20-AGENT 3D, Verbundprojekt FunGeoS, TP: Basis + Mikrowände

Laufzeit: 2016 - 2019
Förderung: BMBF
Projektpartner:
  • Fraunhofer IWU Chemnitz
  • Fraunhofer IWS Dresden
  • Fraunhofer IKTS Dresden
  • Fraunhofer IFAM Bremen
  • ILK gGmbH Dresden
  • TU Dresden
  • Mathys Orthopädie GmbH Mörsdorf
  • 3D MicroPrint GmbH Chemnitz
  • CIM-Technologietransfer Service GmbH Wismar
  • FKT Formenbau und Kunststofftechnik GmbH Triptis
  • Citim GmbH Barleben
  • S.K.M. Informatik GmbH Schwerin
  • LASERVORM GmbH Altmittweida
  • SITEC Industrietechnologie GmbH Chemnitz
  • Robert Bosch GmbH Stuttgart
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Exner

 

Rapid Micro / Hochrate-Laserbearbeitung

Laufzeit: 2012 - 2016
Förderung: BMBF (IP Transfer, Stiftungsprofessur)
Projektpartner:
  • 3D-Micromac AG Chemnitz
  • Sitec Industrietechnologie Chemnitz
  • LASERVORM GmbH Altmittweida
  • IMM Holding GmbH Mittweida
  • Acsys Lasertechnik GmbH Mittweida
  • LIM laserinstitut Mittelsachsen GmbH Mittweida
  • Fiberware GmbH Mittweida
  • MicroCeram GmbH Meißen
  • VW AG Wolfsburg
  • EOS GmbH Krailing
  • ThyssenKrupp Electrical Steel GmbH Gelsenkirchen
  • KSG Leiterplatten GmbH Gornsdorf
  • KOKI TECHNIK Transmission Systems GmbH Niederwürschnitz
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. U. Löschner

 

Ultraschnelle Mikrobearbeitung (ULMI)

Laufzeit: 2011 - 2014
Förderung: SMWK / EU (ESF Nachwuchsforschergruppe)
Projektpartner:
  • Professur Physik/Technische Optik
  • Professur Physik
  • Professur Technische Mechanik/Akustik
  • Professur Werkstofftechnik
  • Professur Mikroprozessortechnik
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Exner
J. Drechsel, M. Erler, R.Ebert, H. Exner:
Vom Zahnrad bis zum Motor – Möglichkeiten des metallischen Micro-3D-Drucks,
In: 3D-Druck in der Anwendung: 8. Mitteldeutsches Forum Rapid Technologien, Merseburg: Hochschule Merseburg, Tagungsband, 2021, ISBN: 978-3-948058-35-7 (2021), S. 140-146

J. Drechsel, M. Erler, R. Ebert, H. Exner:
Pulver- und Prozessuntersuchung für die generative Fertigung von Edelstahlbauteilen mittels Mikro-SLM,
In: Scientific Reports, 11. Mittweidaer Lasertagung 1/2019, S. 125-129

M. Erler, S. Gronau, J. Drechsel, R. Ebert, H. Exner:
Prozessoptimierung für die generative Fertigung von Mikro-Wärmeübertragern,
In: Scientific Reports, 10. Mittweidaer Lasertagung 2/2017, S. 67-71

M. Erler, S. Gronau:
Prozessoptimierung für die generative Fertigung von Mikro-Wärmeübertragern,
In: 3D-Druck in der Anwendung: 4. Mitteldeutsches Forum 3D-Druck in der Anwendung, Merseburg: Hochschule Merseburg, Tagungsband, 2017, ISBN: 978-3-942703-72-7, S. 136-152

A. Streek:
3D Drucken von Metall – präzise und schnell – ein Widerspruch?,
In: 3D-Druck in der Anwendung: 4. Mitteldeutsches Forum 3D-Druck in der Anwendung, Merseburg: Hochschule Merseburg, Tagungsband, 2017, ISBN: 978-3-942703-72-7, S. 14-15

A. Streek, M. Erler, R. Ebert, U. Löschner:
Untersuchungen zum Hochrate Mikro-SLM,
In: Lasermaterialbearbeitung in der digitalen Produktion, DVS-Berichte Band 328, Düsseldorf: DVS Media, 2016, ISBN: 978-3-945023-66-2, S. 217-226

R. Ebert, A. Streek, F. Ullmann, M. Horn, S. Gronau, M. Erler, L. Hartwig, U. Löschner, H. Exner:
3D Mikrodruck von Metallen - Stand und Perspektiven,
In: 2. Mitteldeutsches Forum, 3D-Druck in der Anwendung, Leipzig: Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig, Fakultät Maschinenbau und Energietechnik, Tagungsband, 2015, ISBN: 978-3-942703-36-9, S. 129-161

A. Streek, P. Regenfuß, H. Exner:
High Resolution Laser Melting with Brilliant Radiation,
In: The Proceedings of the Solid Freeform Symposium 25 (2014)

H. Exner, A. Streek:
Laser Micro Sintering - Description of the Opportunities and Newest Results with Material Combination Metal - Ceramic,
presented at: 1st International Conference on Progress in Additive Manufacturin (Oral Presentation)

R. Ebert, F. Ullmann, S. Gronau, A. Streek, M. Horn, M. Erler, L. Hartwig, U. Löschner, H. Exner:
3D Microprint von Metallen mit Laserstrahlung - verfügbare Technologien,
In: Tagungsband Laser in der Elektronikproduktion und Feinwerktechnik (2014), S. 107-119

Anfragen
Forschungsgruppenleiter
Prof. Dr.-Ing. André Streek
Tel.: +49 (0) 3727 / 58-1837
Fax: +49 (0) 3727 / 58-21837
eMail: streek(at)hs-mittweida.de