Laserstrahlschmelzen

Laserstrahlschmelzen

Neben der Anwendung im Prototypen- und Werkzeugbau werden additive Fertigungsverfahren heute auch vermehrt in der Serienproduktion eingesetzt. Zur Herstellung metallischer Bauteile eignet sich vor allem das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen. Hierbei wird das Bauteil durch lokales Aufschmelzen des Metallpulvers durch einen Laserstrahl und das anschließende Erstarren des Werkstoffs schichtweise aufgebaut. Die Abbildung gibt einen Überblick über die einzelnen Prozessschritte. Zunächst wird die Bodenplatte um die gewünschte Schichthöhe abgesenkt, woraufhin der Pulverauftrag durch den Beschichter erfolgt. Danach wird das Pulver lokal durch einen Laserstrahl aufgeschmolzen, wobei der Energieeintrag hier so zu wählen ist, dass eine Anbindung an darunterliegende Schichten stattfinden kann. Vorteile der Technologie sind unter anderen die Möglichkeit, Bauteile direkt aus dem CAD-Modell zu erzeugen, die nahezu uneingeschränkte Formgebungsfreiheit sowie die hohe Ressourceneffizienz, da nicht aufgeschmolzenes Pulver für nachfolgende Fertigungsvorgänge wiederverwendet werden kann. Aus den verfahrensbedingt auftretenden Temperaturgradienten resultieren jedoch Verformungen und Eigenspannungen, die sich auf die Prozessstabilität sowie die Bauteilqualität negativ auswirken können. 

Mit der additiven Fertigung durch das Laserstrahlschmelzen sind einige Besonderheiten verbunden, die teilweise bereits in der Bauteilauslegung bzw. in der Fertigungsvorbereitung zu berücksichtigen sind. Beispiele hierfür sind der Treppenstufeneffekt und die verfahrensbedingte Notwendigkeit, Supportstrukturen mit dem Bauteil gemeinsam aufzubauen.

Treppenstufeneffekt:
Durch die Schichtbauweise ergeben sich bei Steigungen oder Krümmungen des Bauteils in Aufbaurichtungen sogenannte Stufen. Bei geringen Steigungen und hoher Schichtstärke kann dieser Effekt deutlich in Erscheinung treten und die Maßhaltigkeit sowie Oberflächengüte des Bauteils negativ beeinflussen.

Supportstrukturen:
Beim Laserstrahlschmelzen können Bauteile nicht ohne weiteres ins Pulver hinein aufgebaut werden. Falls es aufgrund von Konstruktionsmerkmalen nicht möglich ist dies durch eine geeignete Orientierung des Bauteils im Bauraum zu vermeiden, können sogenannte Stützstrukturen (Supports) mit aufgebaut werden. Es handelt sich hierbei um Hilfskonstruktionen, die gemeinsam mit dem Bauteil aufgebaut werden. In Abhängigkeit von der abzustützenden Kontur gib es eine Vielzahl von in Frage kommenden Supportstrukturen:

  • Blocksupport
  • Liniensupport
  • Websupport
  • Punktsupport