Hochrate Micro Cladding

Hochrate Micro Cladding ist eine Weiterentwicklung des Micro Cladding Verfahrens vom Laserinstitut Hochschule Mittweida. Hierfür kommen derzeit zwei verschiedene Strahlquellen und Strahlablenksysteme zum Einsatz.  Zum einen werden ein kurzgepulster Hochleistungsfaserlasers und ein Hochleistung-Galvanometer-Scanner verwendet, zum anderen ein cw-Hochleistungsfaserlasers in Verbindung mit einem akustooptischen Modulator (AOM) und einem Polygonspiegelscanner. Damit ließen sich bisher extrem hohe Bauraten von bis zu 3.900 mm³/h (Steigerung: Faktor 20 gegenüber Micro Cladding) bei Ablenkgeschwindigkeiten bis 100 m/s erzielen.

Für die Generierung von großflächigen Mikrostrukturen stehen außerdem ein großer Bearbeitungsraum mit 3-Achssystem und ein Zyklonabscheider zur Pulverrückgewinnung zur Verfügung. Weiterhin wurde eine Flachstrahldüse entwickelt, die einen homogenen Pulverstrahl mit einen Querschnitt von 0,5 x 200 mm² erzeugt. Damit lassen sich ohne Achsenbewegung 200 mm lange lineare Mikrostrukturen generieren.

Mit dem Verfahren sind auch Mikrostrukturen mit variablem Wandquerschnitt erzeugbar, wie zum Beispiel Mikroschneiden. Zudem können durch eine gezielte Umschmelzung der Oberflächen der generierten Mikrostrukturen auch Hinterschneidungen realisiert werden. Das kann zum Beispiel dafür genutzt werden, um eine mechanische Verankerung für schlecht haftende Schichten zu erzielen.

Die derzeitigen Untersuchungen befassen sich, neben der Überführung des Verfahrens in industrielle Anwendungen, mit der Möglichkeit zur schnellen Flächenbeschichtung mit Schichtdicken im Mikro­meterbereich. Erste Ergebnisse zeigen, dass homogene Schichtdicken zwischen 1 µm und 10 µm gezielt ein­gestellt werden können. Die maximale Flächenrate liegt derzeit bei 242 cm²/min bei einer Ablenk­geschwindigkeit des Laserstrahls von 200 m/s. Mit der neuartigen Methode können auch temperatur­empfindliche Substrate beschichtet werden.

 

Anlagentechnik:

  • kurzgepulster Faserlaser (Leistung 200 W, Frequenz  1 MHz) und High Apertur Galvanometerscanner (vmax = 30 m/s)
  • cw Monomode Faserlaser (Leistung 3 kW) mit AOM (Frequenz bis 1 MHz) und Polygonspiegelscanner (vmax = 1.000 m/s)
  • Substratbewegung mittels 3-Achssystem für großflächige Generierung von Mikrostrukturen
  • verschiedene Flachstrahldüsen (Längen: 20, 45, 100 und 200 mm)
  • Sonstiges: Zyklonabscheider zur Pulverrückgewinnung und Explosionsgeschützter Bearbeitungsraum
  • 2  Pulverförderer für Mikropulver kleiner 10 µm
  • schneller Laser-Triangulationssensor zur 3D-Erfassung der aufgetragenen Mikrostrukturen

 

Allgemeines:

  • verwendete Pulvermaterialien: Edelstahl 1.4404, Nickel-Superlegierung und Kupfer
  • Erzeugung von Mikrostrukturen mit  variablen Wandquerschnitten und Hinterschneidungen
  • Materialauftrag auf Dünnblechen ab einer Mindestdicke von 50 µm und niedrigschmelzenden Materialien (auch Kunststoff) durch minimalen thermischen Energieeintrag
  • minimale Strukturauflösungen bis 20 µm realisierbar
  • extrem hohe Bauraten im Mikrobereich bis 3.900 mm³/h

 

Perspektiven/Ausblick:

  • Erhöhung der Baurate auf bis zu 10.000 mm3/h möglich
  • Weiterentwicklung zur  Hochrate-Dünnschichterzeugung
  • Flächenrate von 1000 cm2/h möglich
  • Erweiterung des Prozessverständnisses durch Grundlagenuntersuchungen
  • Systemintegration zur Prozessüberwachung und -kontrolle
  • Untersuchung weiterer Materialien

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M. Erler, R. Ebert, M. Horn, S. Gronau, S. Klötzer, H. Exner:
High Speed Drucken von Mikrostrukturen aus Metall mit Micro Cladding,
In: 3. Mitteldeutsches Forum, 3D-Druck in der Anwendung, Merseburg: Hochschule Merseburg, Tagungsband, 2016, ISBN: 978-3-942703-51-2 (2016), S. 380-405

M. Erler, R. Ebert, S. Gronau, M. Horn, S. Klötzer, H. Exner:
Hochrate Micro Cladding - Oberflächenstrukturen durch schnellen und neuartigen Materialauftrag,
In: Scientific Reports, Journal of the University of Applied Sciences Mittweida 4/2015, S. 64-69

M. Erler, S. Gronau, M. Horn, R. Ebert, S. Klötzer, H. Exner:
Hochrate Laser Micro Cladding,
In: G. Witt, A. Wegner, J. T. Sehrt (Hrsg.): Neue Entwicklungen in der Additiven Fertigung, Beiträge aus der wissenschaftlichen Tagung der Rapid.Tech 2015, Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2015, ISBN: 978-3-662-48472-2, S. 159-175

M. Erler, R. Ebert, S. Gronau, M. Horn, S. Klötzer, H. Exner:
High Speed Micro Cladding Using a High-Power Single-Mode Continuous-Wave Fiber Laser and a Polygon Scanning System,
In: Proceedings of International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing (2015)

R. Ebert, S. Gronau, M. Horn, S. Klötzer, M. Erler, H. Exner:
Hochrate Laser Micro Cladding (High rate laser micro cladding),
In: Tagungsband der Rapid.Tech (2015)

M. Erler, R. Ebert, S. Gronau, M. Horn, S. Klötzer, H. Exner:
High Rate Micro Cladding Using a Short Pulsed Fiber Laser,
In: Proceedings of 7th International Congress on Laser Advanced Materials Processing (2015)

Projektanfragen / -koordination
Forschungsgruppenleiter
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Horst Exner
Tel.: +49 (0) 3727 / 58-1413
Fax: +49 (0) 3727 / 58-1867
eMail: exner(at)hs-mittweida.de