Micro Cladding

Micro Cladding ist eine Modifikation des klassischen Laser-Pulver-Auftragschweißens zum flexiblen Generieren von Mikrostrukturen auf beliebig gekrümmten Oberflächen. Möglichkeiten zum Einsatz des Rapid-Micro-Verfahrens bieten sich vor allem in der Mikrosystemtechnik, z. B. zur Mikrostrukturierung und Texturierung von Oberflächen, bei der Reparatur bzw. Maßkorrektur von Mikroteilen oder beim Rapid-Microtooling.

Die Besonderheit der speziellen Verfahrensvariante Micro Cladding am Laserinstitut Hochschule Mittweida liegt in der Nutzung eines gepulsten Faserlasers in Verbindung mit einer schnellen Strahlablenkung. Das bietet den Vorteil den Energieeintrag im Mikrometerbereich gezielt zu steuern und die thermische Belastung des Substrates sowie der aufzutragenden Struktur gering zu halten.

Für die Umsetzung der hohen Ablenkgeschwindigkeiten des Laserstrahls kann die Pulverdüse nicht wie im klassischen Laserpulverauftragschweißen relativ zum Substrat mitgeführt werden, sondern muss während des Bauprozesses statisch bleiben. Mittels Pulverstrahl wird ein kontinuierliches Pulverbett auf dem Substrat erzeugt in dem sich der Laserstrahl bewegt. Durch Wechselwirkung mit der fokussierten Laserstrahlung werden die  Pulverpartikel am Bearbeitungsort aufgeschmolzen und ein Materialauftrag erzielt.

Eine weitere Besonderheit stellt die gezielte Mikrostrukturierung während des Aufbauprozesses dar. Damit konnte ein erheblicher Sprung in der Erhöhung der Baurate erzielt werden.

Mit der Möglichkeit der Generierung vom 2,5D-Strukturen bietet das Laser Micro Cladding eine Alternative zum Lasermikrosintern. Ein entscheidender Vorteil stellt das kontinuierlich erneuerte Pulverbett dar. Im Gegensatz zum Lasermikrosintern, fällt dadurch die Belichtungspause bei jeder neuen Bauteilschicht für den Pulverbeschichtungsprozess weg und spart viel Zeit.

 

Anlagentechnik:

  • Dreistrahlkoaxialdüse (Bearbeitungsfläche ca. 3 x 3 mm²)
  • mehrere Flachstrahldüsen (Längen: 20, 45 mm)
  • Laser: 20 W kurzgepulster Faserlaser
  • Strahlablenkung: Galvanometerscanner für kleine Leistungen (vmax = 8 m/s)
  • Substratbewegung: Roboter für 3D-Beschichtung
  • 2 Pulverförderung für Mikropulver und eigens entwickelter Pulververteilungseinheit

 

Allgemeines:

  • verwendete Pulvermaterialien: Edelstahl 1.4404, Nickel-Superlegierung, Kupfer
  • Generierung von 2,5D-Strukturen auf beliebig geformten Oberflächen
  • Erzeugung von inversen Keilstrukturen und dünnwandige Strukturen
  • Materialauftrag auf Dünnblechen bis 50 µm und niedrigschmelzenden Materialien (auch Kunststoff) durch minimalen thermischen Energieeintrag
  • minimale Strukturauflösungen bis 50 µm (theoretisch auch kleiner, abhängig von gewählten Fokusdurchmesser)
  • konstante Aufbaugeschwindigkeit bis ca. 1,5 mm ohne Fokusnachführung
  • Bauraten von bis zu 190 mm³/h

 

Perspektiven/Ausblick:

  • Aufbau einer mobilen Prozesskammer
  • Erweiterung des Prozessverständnisses durch Grundlagenuntersuchungen
  • Verbesserung des Auflösungsvermögens
  • Systemintegration zur Prozessüberwachung und -kontrolle
  • Test weiterer Metallpulver
  • weitere Skalierung der Baurate und Umsetzung einer Hochrate-Dünnschichterzeugung (Hochrate Micro Cladding)

 

Entwicklung eines Laserverfahrens zur partiellen Beschichtung von großformatigen Blechen aus Konstruktionsstahl

Laufzeit: 2014 - 2016
Förderung: AiF (Programm ZIM)
Projektpartner:
  • Omeras GmbH Lauterbach
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Exner
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)

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

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

M. Erler, R. Ebert, S. Klötzer, H. Exner:
Erhöhung der Baurate beim Micro Cladding durch gezielte Mikrostrukturierung,
In: Scientific Reports, Journal of the University of Applied Sciences Mittweida 2/2012, S. 50-53

S. Klötzer, M. Erler, L. Hartwig, R. Ebert, B. Steiger, H. Exner:
Micro-cladding using a pulsed fibre laser and scanner,
In: Proceedings of 11th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (2010)

S. Klötzer, M. Erler, L. Hartwig, R. Ebert, B. Steiger, H. Exner:
Micro-Cladding mit gepulstem Faserlaser,
In: Scientific Reports, Journal of the University of Applied Sciences Mittweida 4/2009, S. 33-36

S. Klötzer, M. Erler, M. Heinrich, L. Hartwig, R. Ebert, B. Steiger, H. Exner:
Micro Cladding mit gepulstem Faserlaser,
In: Lasermagazin 1/2009

R. Ebert, U. Löschner, A. Streek, J. Schille, T. Süß, L. Hartwig, S. Klötzer, H. Exner:
Rapid Microtooling mit laserbasierten Verfahren,
In: Lasermagazin 2/2007, S. 26-27

A. -M. Reinecke, H. Exner, M. Nieher:
Laser Beam Sintering of Thin Alumina Coatings on Steel,
In: Proceedings of 6th International Conference on Joining Ceramics, Glass and Metal (2002)

H. Exner, A. -M. Reinecke, M. Nieher:
Laser Beam Sintering of Thin Alumina Coatings on Steel,
In: Proceedings of 8th International Conference on Ceramic Processing Science (2002)

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