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Additive Fertigung
Ein Strahl, zwei Zonen, und ein Schmelzbad, das von der Auslegung her besser wird. Ein passiver, vollreflektiver Ring-Core-Spiegel lässt Sie das Schmelzbad formen, statt gegen es zu arbeiten, und dafür muss kein Laser neu entworfen werden.
Der Single-Mode-Spot hat LPBF bis hierher gebracht. Der nächste Hebel ist die Strahlform.
Die metallische additive Fertigung wurde auf einer guten Idee industrialisiert. Sie lautete: einen nahezu beugungsbegrenzten Gauß-Spot auf das Pulverbett setzen und ihn genau führen. Beim Laser-Pulverbettschmelzen (LPBF, Metallpulver Schicht für Schicht mit einem gescannten Faserlaser aufgeschmolzen, typisch um 1070 nm) bringt ein Single-Mode-Spot damit die feinsten Strukturen, die schärfsten Konturen und ein Schmelzbad, das auf Leistung und Scangeschwindigkeit vorhersagbar reagiert. Als der Durchsatz steigen musste, lagen die Hebel auf der Hand, und sie funktionierten: mehr Leistung, schneller scannen, dann mehrere Laser auf einer Bauplattform, und so hat LPBF die Serienproduktion erreicht. Für sehr viele Bauteile ist das weiterhin die richtige Antwort.
Die Grenze zeigt sich dort, wo diese Hebel nicht mehr unabhängig voneinander sind, und das hat einen physikalischen Grund. Ein Gauß-Profil legt den größten Teil seiner Energie in einen schmalen Peak in der Mitte, also treibt es das Schmelzbad, wenn Leistung und Geschwindigkeit zusammen steigen, aus dem stabilen Wärmeleitungsschmelzen in den Keyhole-Modus, wo die Kapillare schwankt und Poren einschließt. Das Fraunhofer ILT benennt dieselbe Ursache: Die im Strahlzentrum konzentrierte Leistung führt zu lokaler Überhitzung und Verdampfung und damit zu Spritzern und Poren. Weitere Laser umgehen diese Physik, statt sie zu ändern. Benjamin Haas von Nikon SLM Solutions formuliert es so: mehr Laser „does not automatically equate to lower cost-per-part, higher productivity, or the same part quality.“ Die eine Größe, die das Prozessfenster selbst verbreitert statt mehr von einem engen zu kaufen, ist die Strahlform. Am meisten zählt sie deshalb bei den Legierungen, mit denen ein überhöhtes Gauß-Profil am schlechtesten umgeht: hochschmelzend, rissanfällig und stark reflektierend.
- Keyhole-Porosität — bei hoher Leistung und Scangeschwindigkeit wird die Kapillare instabil und schließt Gas ein, also genau den Defekt unter der Oberfläche, für den ermüdungskritische Bauteile abgelehnt werden
- Spritzer, Balling und Ruß — der steile Temperaturgradient um einen überhöhten Spot wirft Auswürfe auf das Bett und Verunreinigungen auf das Fenster, und in Mehrlaser-Anlagen trägt er von einem Schmelzbad in den Strahlengang des Nachbarn
- Ein Schmelzbad, das mit dem Fokus wandert — der Schmelzmodus im LPBF hängt an der Fokuslage, also schlagen Position im Scanfeld, Bauhöhe und Planheit des Pulverbetts als Streuung von Bauteil zu Bauteil durch
Das Schmelzbad steuern, nicht nur die Leistung
Schmelzen statt verdampfen
Ein heißer Kern bringt die Energiedichte für die vollständige Verbindung, während ein umgebender Ring vorwärmt und den Temperaturgradienten auslaufen lässt, sodass kein dampfgetriebenes Keyholing entsteht.
Abkühlrate in Ihrer Hand
Das Leistungsverhältnis zwischen Ring und Kern ist auslegbar, also ein direkter Hebel auf Gefüge, Porosität und Eigenspannung, ohne die Laserhardware anzufassen.
Von der ersten bis zur letzten Schicht gleich
Das Zweizonenprofil bleibt über etwa 100 % der Schärfentiefe stabil und ist gegen thermische Linseneffekte robust, also driftet es nicht, während der Bauauftrag läuft.
Ausgelegt für 266 nm–1070 nm+, fs-gepulst bis CW, einschließlich der Faserlaser bei 1064/1070 nm, die im LPBF Standard sind. Vollreflektiv, passiv, weltweiter Versand aus Bonn, Deutschland.
Die Landschaft der additiven Laserfertigung, und wo die Strahlform der Hebel ist
Die additive Laserfertigung umfasst viele verschiedene Verfahren, im Pulverbett und mit gerichteter Energie, und jedes einzelne steht und fällt mit dem Schmelzbad. Unten steht das Feld, wie wir es sehen. Für eine wachsende Zahl dieser Verfahren helfen wir Kunden, die passende Strahlform zu finden und zu bauen.
Laser-Pulverbettschmelzen (LPBF / SLM / PBF-LB)
Ein gescannter Laser schmilzt Metallpulver Schicht für Schicht selektiv in einem Bett auf, das höchstauflösende additive Laserverfahren. Industrieanlagen fahren typisch Faserlaser bei 1064–1070 nm von einigen hundert Watt bis etwa 1 kW über einen Galvoscanner, und genau dort sitzt ein Beam Shaper.
Directed Energy Deposition (DED)
Pulver oder Draht wird in ein Schmelzbad auf einer bestehenden Oberfläche geführt, sodass das Bauteil ohne Pulverbett aufwächst. Größere Spots, tiefere Schmelzbäder und weit höhere Auftragsraten als LPBF, dafür geringere Auflösung.
Laser Metal Deposition (LMD)
Die pulvergeführte Form von DED. Eine koaxiale Düse bringt Pulver in den Strahlfokus, und damit ist die Intensitätsverteilung über den Spot der wichtigste Hebel auf Aufmischung, Pulverausnutzung und Raupengeometrie.
Draht-Laserauftragschweißen (Draht-DED)
Die drahtgeführte Form von DED. Nahezu 100 % Materialausnutzung und hohe Auftragsraten an großen, einfacheren Geometrien, aber die Drahtzufuhr verzeiht nichts, und ob eine glatte Raupe entsteht oder es stochert und tropft, entscheidet ein Strahlprofil, das die Drahtspitze stabil aufschmelzen lässt.
Laserauftragschweißen (Cladding)
Auf ein bestehendes Bauteil wird eine verschleiß- oder korrosionsfeste Schicht aufgebracht. Das Ziel ist gegenüber LPBF umgekehrt: Die Schicht soll voll verbunden sein, das Grundmaterial aber kaum aufschmelzen. Also geht es um die Spitzenintensität und nicht nur um die Gesamtleistung.
Mehrlaser- und Mehrstrahl-LPBF
Mehrere unabhängig gescannte Laser arbeiten gleichzeitig an einem Bauauftrag, um den Durchsatz zu heben. Das skaliert die Flächenabdeckung, nicht das Prozessfenster, und damit werden die Nahtstellen der Überlappung, die Drift der Scanfeldkalibrierung und Spritzer, die von einem Schmelzbad in einen anderen Strahl getragen werden, zu den begrenzenden Größen.
Gebaut, um das Schmelzbad zu steuern
3D Ring-Core Shaper
Ein Ring um einen Kern, stabil über die gesamte Schärfentiefe: ruhigeres Keyhole, weniger Spritzer.
Ansehen → Flat-Tops für Multimode-LaserBeam Homogenizers
Macht aus einem Multimode-Faserlaserstrahl einen gleichmäßigen Flat-Top — das Arbeitspferd für Härten, Schweißen und Auftragschweißen.
Ansehen →Ein passiver Spiegel, der in einen vorhandenen Scanner-Strahlengang eingesetzt wird, ohne neue Kühlung und ohne Anbindung an die Steuerung. Der Fit-Check zeigt, gegen welche Parameter wir auslegen.
Passende Anwendungsfälle
Additive Fertigung (LPBF)
Schnellerer Aufbau mit wechselbarer Strahlformung im Scanner-Strahlengang.
Anwendungsfall lesen →Verschaffen Sie Ihrer LPBF-Plattform einen Vorteil beim Schmelzbad.
Sprechen Sie mit uns über die Integration des 3D Ring-Core Shapers in Ihren Scanner-Strahlengang: eine passive Drop-in-Optik, die Ihre Entwicklung in Tagen bewerten kann und nicht in Quartalen.
Herausforderung besprechen