Höchstaufgelöstes Lasermikrosintern

Das Lasermikrosintern ist ein Verfahren bei dem 3D Bauteile durch das wiederholte Auftragen und Verschmelzen von Pulverschichten erzeugt werden. Ausgehend von einem CAD-Modell erfolgt die Erzeugung der Geometrie durch das Verschmelzen des Pulvers mittels Laserstrahlung. Das Verfahren eignet sich besonders zur Fertigung von Prototypen. Durch den Einsatz von Mikro- und Nanopulvern soll die Auflösung deutlich verbessert und die Auswirkungen auf die resultierenden Materialeigenschaften des gesinterten Bauteils untersucht werden.

Motivation

Das Verfahren Lasermikrosintern ist ein generatives Fertigungsverfahren für Mikrobauteile, welches an der Hochschule Mittweida entwickelt wurde. Verfahrensbedingt können Bauteile mit nahezu beliebiger Geometrie hergestellt werden, einschließlich Hohlräume und Hinterschneidungen. Aufgrund seiner Flexibilität ist das Verfahren vor allem für die Herstellung von Prototypen geeignet. Im Rahmen der Nachwuchsforschergruppe „ULTRALAS“ soll nun auf Grundlage vorangegangener Arbeiten das Verfahren weiter optimiert werden.    

Verfahren

Der Aufbau dreidimensionaler Mikrostrukturen erfolgt bei diesem Verfahren prinzipiell durch zwei Bearbeitungsschritte. Im ersten Schritt erfolgt das Aufziehen einer Pulverschicht auf eine Bauplattform durch einen Rakel. Im zweiten Schritt erfolgt das Sintern mittels Laserstrahlung. Nach diesem Schritt wird die Bauplattform abgesenkt, sodass eine neue Pulverschicht aufgezogen werden kann und der Prozess von neuem beginnen kann. Eingesetzt werden metallische Werkstoffe wie Edelstahl, Wolfram, Molybdän und keramische Werkstoffe wie z.B. Siliziumoxidkeramik. Für die Erzeugung feiner Strukturen mit einer Strukturgröße von minimal 15 µm werden Pulver mit Partikelgrößen < 1 µm eingesetzt. Der Laser kann gepulst oder kontinuierlich betrieben werden und wird mittels Scanner über die relevanten Bereiche geführt.

Die Berechnung des Scan-Bereichs erfolgt durch das „slicen“ eines CAD-Modells, wodurch die Wandelemente des Bauteils in Form von 2D-Daten vorliegen. Das CAD-Modell wird demnach in eine diskrete Anzahl von Schichten zerlegt und in der Anlage quasi „bottom-up“ schichtweise aufgebaut.

Projektablauf

  • Abschätzen und Wichten der Risiken und der begrenzenden Faktoren des bisherigen Prozesses
  • Beschreiben der Anforderungen an den Versuchsaufbau zum Erreichen der Projektziele
  • Festlegen der Vergleichs- und Auswertungskriterien für eine statistische Prozessanalyse
  • Modifizierung des Versuchstandes
  • Festlegen des Layouts der Teststrukturen und Überprüfung der Messung auf Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit
  • Grundlagenuntersuchung zur Auflösung gepulster Strahlung mit Nanopulver,
  • Validierung von Pulvern im Korngrößenbereich von 1 - 3 µm
  • Testen verschiedener Bearbeitungsstrategien und Bewertung mit vorher fest­gelegten Testmethoden
  • Ableiten von Optimierungen und Testen der gewonnenen Erkenntnisse
  • Anfertigen von Demonstratoren

 

Anlagentechnik

Die Anlage besteht im Wesentlichen aus einer Sinterkammer und dem Lasergerät. Mit der Ringrakel wird eine Pulverschicht auf der Arbeitsplattform aufgezogen. Mit dem Scanner wird der Laserstrahl so abgelenkt, dass die zu erzeugenden Formen durch Verschmelzen der Pulverpartikel generiert werden. In der Anlage ist ein Nd:YAG Laser verbaut, der bei einer Wellenlänge von 1064 nm arbeitet.


Finanziert aus Mitteln der Europäischen Union und des Freistaates Sachsen.