Selective Laser Melting (SLM)

Das selektive Laserschmelzen (SLM) ist ein additives Pulverbett-Verfahren. Mit diesem Verfahren ist es möglich konstruktive Features, wie zum Beispiel innere Kühlkanäle in Funktionsbauteile zu integrieren, die nicht auf konventionelle Weise herstellbar sind. Im Prozess schmilzt der Laserstrahl im Pulverbett schichtweise eine Querschnittfläche um. Anschließend wird über einen Beschichter eine neue Pulverschicht aufgetragen und erneut mittels Laser bestrahlt. So entsteht über mehrere hunderte bis tausende Schichten ein 3D-Körper mit nahezu identischen Materialeigenschaften im Vergleich zum Vollmaterial.

Das verwendete Pulvermaterial liegt in sphärischer Form vor und besitzt idealerweise eine Korngrößenverteilung im Bereich von 15 - 75 µm. Die Schichtstärken liegen typischerweise im Bereich von 20 µm bis zu 200 µm, je nach gewünschter Auflösung des resultierenden Objektes. Die am häufigsten eingesetzten Laserquellen sind Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1.070 nm und einem mittleren Leistungsbereich von 400 W bis 2 kW. Je nach Material und gewählten Bearbeitungsparameter können so Bauraten von über 50 cm³/h und mehr erzielt werden. Durch den Einsatz mehrerer Scanner können die Bauraten deutlich erhöht werden. Dabei wird entweder der Laserstrahl einer Laserquelle auf die Scanköpfe aufgeteilt oder jeder einzelne Scanner wird von jeweils einer Laserquelle mit Laserstrahlung versorgt.

Nach dem Bauprozess werden die erzeugten Teile aus dem Pulverbett ausgepackt. Dies geschieht händisch oder mit Hilfe einer Absaugung in Kombination mit einem Zyklonabscheider. Dieser trennt das abgesaugte Pulver noch einmal in 2 Fraktionen auf, sodass Partikel < 10 µm gleich als Abfall entsorgt werden. Die Abscheiderate für das SLM-fähige Pulvermaterial beträgt somit nahezu 100 % und wird anschließend noch einmal ab gesiebt.

Die angebundenen Bauteile können noch thermisch nachbehandelt werden bevor sie vom Substrat mittels Drahterodieren oder Säge abgetrennt werden. Die Substratplatten können nach einem kurzen überfräsen der Oberfläche wieder zum Einsatz kommen. Nach dem Entfernen der Stützstrukturen der additiv gefertigten Teile erfolgt das Finishing der Oberflächen. Dies kann durch überfräsen, polieren oder Sandstrahlen erreicht werden.

 

Anlagentechnik:

  • kommerzielle SLM 280 HL Anlage (Leihgabe der Firma Form + Technik engineering GmbH)

    • 400 W Faserlaser @ 1.070 nm
    • Bauraum: 280 x 280 x 350 mm³ bzw. 100 x 100 x 170 mm³
    • Bauraumheizung bis 200 °C

  • umgerüstete kommerzielle EOSINT M250

    • kann mit 200 W CO2-Laser oder 500 W Faserlaser betrieben werden
    • Bauraum: 250 x 250 x 200 mm³

  • Eigenbauanlage mit kleinem Bauraum (ø 50 mm)

    • 500 W Faserlaser
    • Ringrakel

 

Allgemeines:

  • verwendete Pulvermaterialien: Edelstahl 316L, AlSi10Mg, Werkzeugstahl H11 (1.2343)
  • Überhänge bis 40° Stützenfrei generierbar
  • minimale Strukturauflösungen bis 200 µm je Einzelwand
  • Defokussierung im Bauprozess möglich
  • Bauraten von bis zu 50 cm³/h (abhängig vom Anlagensetup)

 

Perspektiven/Ausblick:

  • Ermittlung geeigneter Bearbeitungsparameter für weitere metallische Materialien
  • Grundlagenuntersuchungen zur Erweiterung der Prozesskenntnisse
  • Verbesserung des Auflösungsvermögens
  • Systemintegration zur Prozessüberwachung und -kontrolle, wie z. B. Thermokamera und Fotodiode
  • weitere Skalierung der Baurate
  • Integration von Polygontechnik zur schnellen Strahlablenkung

 

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Energiestrahlschweißen von additiv und mechanisch gefertigten (AM/MM)-Mischverbindungen aus Al-Leichtbauwerkstoffen (EBS/LBS-AM/MM-AL), TP: Laserstrahlschweißen von AM/MM-Mischverbindungen aus Al-Leichtbauwerkstoffen (LBS-AM/MM-AL)

Laufzeit: 2019 - 2021
Förderung: SAB / EFRE
Projektpartner:
  • TU Bergakademie Freiberg
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. U. Löschner

 

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. A. Streek
Webseite: saxony5.de

 

Additive/mechanische Hybrid-Fertigung (AM/MM-Hybrid): Entwicklung von Technologien und Pulvern für die additive Fertigung von AM/MM-Hybridkomponenten aus Stahl

Laufzeit: 2018 - 2020
Förderung: AiF (Programm ZIM)
Projektpartner:
  • TU Bergakademie Freiberg
  • Fertigungsmittelbau GmbH Lichtentanne
  • KDS Radeberger Präzisions-Formen- und Werkzeugbau GmbH Großröhrsdorf
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Exner

 

Hochintegrative Prozesskette zur generativen Fertigung von metallischen Hochleistungsbauteilen (HEIGHT)

Laufzeit: 2016 - 2020
Förderung: SAB / ESF
Projektpartner:
  • TU Chemnitz, Professur für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik
  • LASERVORM GmbH Altmittweida
  • CADsys Vertriebs- und Entwicklungsgesellschaft mbH Chemnitz
  • millfax GmbH Hartmannsdorf
  • Werkzeugbau GmbH Glauchau
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Exner
Webseite: www.laser.hs-mittweida.de/institut/projekte/height.html
J. Drechsel, T. Langer, L. Gan, U. Löschner, P. Hollmann, A. Buchwalder, H. Biermann, R. Zenker:
Vergleichende Untersuchungen zum Laser- und Elektronenstrahlschweißen von konventionell und additiv gefertigtem AlSi10Mg,
In: Scientific Reports, 12. Mittweidaer Lasertagung 3/2021, S. 9-14

M. Erler, R. Ebert, P. Hengst, T. Urbanski, T. Schubert, R. Zenker, H. Biermann, H. Exner:
Additive und mechanische Hybrid-Fertigung – Vorteile beider Welten vereint,
In: Lasermagazin 1/2021, S. 32

G.S.Ponticelli, O. Giannini, S. Guarino, M. Horn:
An optimal fuzzy decision-making approach for laser powder bed fusion of AlSi10Mg alloy,
In: Journal of Manufacturing Processes 58 (2020), S. 712-723

M. Horn, M. Posdzich:
Vorstellung einer Prozesskette zur Fertigung von hochbelastbaren Funktionsflächen an SLM-Bauteilen,
In: 3D-Druck in der Anwendung - 6. Mitteldeutsches Forum 3D-Druck in der Anwendung, Leipzig: HTWK Leipzig, Tagungsband, 2019, ISBN: 978-3-948058-07-4, S. 74-87

G.S. Ponticelli, M. Horn, R. Ebert, H. Exner:
Selective laser melting of AlSi10Mg: Experimental and statistical analysis,
In: Scientific Reports, Digitalisierung in Industrie und Gesellschaft – Arbeiten und Leben im Umfeld der 4. Industriellen Revolution 3/2018, S. 145-149

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