Gezielte Vorwärmung für das Laser Powder Bed Fusion

Egal ob zum Härten, Richten oder der Beeinflussung von Gefügen: Hochpräzise und lokal begrenzte Erwärmung durch Laserstrahlung ist in thermischen Industrieprozessen sehr gefragt. Bisher war das Temperaturprofil jedoch stark von der Form des Laserstrahls abhängig. Mithilfe der VCSEL-Technologie, bei der individuell ansteuerbare Emitterreihen flächig angeordnet werden, ist man bereits einen großen Schritt in Richtung maßgeschneiderter Vorwärmung gegangen. Im Rahmen der langjährigen Kooperation innerhalb des Forschungscampus Digital Photonic Production DPP möchten die Wissenschaftler rund um das Team DPP Nano die Eigenschaften dieser Technologie nun auch für das Laser Powder Bed Fusion (LPBF) nutzen. Ziel ist es, den Temperaturgradienten zwischen Substratplatte und Bearbeitungsebene durch gezielte Vorwärmung während des Prozesses auszugleichen und so Bauteilverzug und Rissdefekte zu minimieren.

Das LPBF, auch bekannt als metallischer 3D-Druck, ist ein laserbasiertes additives Fertigungsverfahren, bei dem das Bauteil Schicht für Schicht aus selektiv umgeschmolzenem Metallpulver entsteht. Dabei verfährt die Bauplattform nach jeder umgeschmolzenen Schicht nach unten, so dass eine neue Pulverschicht aufgetragen werden kann. Da sich die Bearbeitungsebene so bei fortschreitendem Fertigungsprozess von der Substratplatte entfernt, entstehen Temperaturunterschiede, die zu einem Bauteilverzug oder Rissen im Bauteil führen können. Eine Vorwärmung kann diese unerwünschten Effekte minimieren.

VCSEL-Vorheizung gegen Temperaturgradienten

Bild 1: Thermokameraaufnahme eines vorgewärmten Würfels mit Thermoelementen (rechts) ohne zu-sätzliche VCSEL-Vorwärmung. © Fraunhofer ILT, Aachen.
Thermokameraaufnahme eines vorgewärmten Würfels mit Thermoelementen (rechts) ohne zu-sätzliche VCSEL-Vorwärmung.
© Fraunhofer ILT, Aachen.

Bisher erfolgt die Vorwärmung des Pulverwerkstoffs über eine Erwärmung der Substratplatte induktiv oder durch keramische Heizelemente. Messungen mit einer Infrarotkamera und Thermoelementen zeigen jedoch, dass schon nach 10 mm Bauhöhe – abhängig vom zu verarbeitenden Werkstoff sowie der Geometrie der zu fertigenden Bauteile – ein Temperaturgradient von mehreren 100°C entstehen kann. Eine Nachregelung der Substratplattentemperatur sorgt zwar für die benötigte Vorwärmtemperatur in der Bearbeitungsebene, bringt aber gleichzeitig zwei Nachteile mit sich:
Zum einen darf die Vorwärmtemperatur die Schmelztemperatur des zu erwärmenden Materials nicht überschreiten, sodass in letzter Konsequenz die Bauhöhe limitiert ist. Zum anderen kommt es zu einer (teilweise) unerwünschten in situ Wärmebehandlung.

Bild 3: Mit VCSEL-Dioden-Barren von Philips Photonics kann das Werkstück kontinuierlich auf mehrere hundert Grad erhitzt werden. © Philips Photonics, Aachen.
Mit VCSEL-Dioden-Barren von Philips Photonics kann das Werkstück kontinuierlich auf mehrere hundert Grad erhitzt werden.
© Philips Photonics, Aachen.

Vertical Cavity Surface Emitting Laser – kurz VCSEL – stellen eine Lösung dar, die eine Vorwärmung unabhängig von der Bauhöhe und den Ausgleich des Temperaturgradienten realisieren kann. Die individuell ansteuerbaren Emitterreihen eines VCSEL-Moduls ermöglichen eine angepasste Energieverteilung in der Bearbeitungsebene. Die Umsetzung einer VCSEL-Vorheizung im LPBF-Prozess wird von den Forschungscampus-Partnern RWTH Aachen University Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme TOS, Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT und Philips Photonics GmbH in systematischer Zusammenarbeit am gemeinsamen Standort auf dem RWTH Aachen Campus untersucht.

Vielversprechende Erfolge durch VCSEL-Einsatz beim LPBF

Bild 2: Simulation des Temperaturverlaufs im Prozess bei zugeschalteter Vorwärmung mittels VCSELn. © RWTH Aachen TOS.
Bild 2: Simulation des Temperaturverlaufs im Prozess bei zugeschalteter Vorwärmung mittels VCSELn. © RWTH Aachen TOS.

Die Simulation des Temperaturverlaufs bei zugeschalteter Vorwärmung mittels VCSELn zeigt einen positiven Einfluss auf den Temperaturgradienten zwischen Substratplatte und Bearbeitungsoberfläche.
Versuche an einer LPBF Laboranlage mit induktiver Substratplattenvorheizung und einem Modul bestehend aus sechs Emitterreihen mit je 400W haben gezeigt, dass der Temperaturgradient zwischen Substratplatte und Bauteiloberfläche (ΔTBT, SP = 100 °C) wie auch zwischen den einzelnen Bauteilen (ΔTB1, B4 = 25 °C) durch das

Zuschalten der VCSEL innerhalb von 120 Sekunden ausgeglichen werden kann. Eine manuelle Regelung der VCSEL-Leistung verhindert den Anstieg der Temperaturen auf < 500 °C und kann die Zieltemperatur auf den Bauteiloberflächen konstant halten. Dadurch werden die Spannungen im Bauteil verringert und es lassen sich höhere Bauteile herstellen.

Im konkreten Versuch hat das Aachener Forscherteam Teile aus Inconel IN 718 aufgebaut und einen deutlich verringerten Verzug nachgewiesen. Das Bauteil wurde dabei kontinuierlich auf 500°C erhitzt.
Diese positiven Ergebnisse eröffnen dem LPBF ein breiteres Anwendungsspektrum, vor allem in der Verarbeitung besonders herausfordernder Werkstoffe. In einem nächsten Schritt sollen etwa Bauteile aus Titan-Aluminiden hergestellt werden. Dazu wird das Bauteil auf ca. 900°C erhitzt.

Bild 4: Das mit VCSEL vorgewärmte Bauteil (rechts) weist deutlich weniger Verzug auf als das für den Belichtungsprozess nicht vorgewärmte Bauteil. © Fraunhofer ILT, Aachen.
Das mit VCSEL vorgewärmte Bauteil (rechts) weist deutlich weniger Verzug auf als das für den Belichtungsprozess nicht vorgewärmte Bauteil. © Fraunhofer ILT, Aachen.

Weitergehende Untersuchungen im Rahmen der gemeinsamen systematischen Forschungsarbeit im Forschungscampus DPP werden die Anwendung der VCSEL-Vorheizung auf Hochtemperatur- Materialien für die Luft- und Raumfahrt (z.B. TiAl, 900°C) sowie die Entwicklung spezieller Optiken für VCSEL betrachten. Darüber hinaus werden kontaktlose Messkomponenten zur Temperaturermittlung des Pulvers eingesetzt. Darauf aufbauend soll eine Regelung des VCSEL-Moduls entsprechend der Pulvertemperatur ermöglicht werden.

Unser Partner das Fraunhofer ILT zeigt die gemeinsamen Forschungsergebnisse auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand E70 in Halle 3.0 vom 13. bis zum 16. November 2018 auf der formnext in Frankfurt am Main. Zudem wird das Thema »VCSEL-Based Preheating for LPBF« am 15. November 2018 um 15.00 Uhr auf der TCT conference@formnext vorgestellt.

 

Forschungsgruppe DPP Nano

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