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- Prozessführung beim Laserstrahlsintern
von Metallpulver
Wärmespannungen verringern Bauteilqualität
Schnelligkeit ist der große Vorteil beim Laserstrahlsintern
von Bauteilen. Pulverkörnchen aus Metall verschmelzen in
wenigen Augenblicken zur gewünschten Form. Doch das Verfahren
ist noch nicht völlig verstanden, und die Qualität
der Produkte kann verbessert werden. Grundlagenuntersuchungen
am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie von Prof. Dr. Manfred
Geiger, die auf die Temperaturverteilung während des Bauprozesses
konzentriert sind, werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft
für weitere zwei Jahre gefördert. Projektbearbeiter
ist Dipl.-Ing. Frank Niebling.
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- Das Direkte Metall-Laserstrahlsintern (DMLS)
ist ein generatives Fertigungsverfahren: Dreidimensionale Bauteile
werden schichtweise aufgebaut. Das Metallpulver in der jeweils
obersten Schicht wird mit der Energie eines Laserstrahls lokal
aufgeschmolzen, wodurch eine definierte Struktur entsteht. Funktionsprototypen
wie etwa Leiträder von Drehmomentwandlern oder Werkzeuge
für den Kunststoffspritzguss können auf diese Weise
hergestellt werden. Vor allem im schnellen Prototypen- und Vorserienbau
(Rapid Prototyping) sind solche innovativen Fertigungskonzepte
sehr gefragt, da sie die Entwicklungszeiten für neue Produkte
verkürzen können.
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- Das DMLS-Verfahren ist technisch nicht vollständig
ausgereift. Der Prozess ist teilweise instabil, wofür Wärmespannungen
verantwortlich gemacht werden, die durch den Bauprozess eingebracht
werden. Infolgedessen kommt es vor, dass sich Schichten von Bauteilen
noch während des Aufbauprozesses voneinander trennen. Nach
der generativen Fertigung verbleiben Eigenspannungen im Werkstück,
die sich bei der Weiterverarbeitung als Verzug bemerkbar machen
können. Die Teile verziehen sich, wenn sie z. B. bei einer
Infiltration mit Lötwerkstoff thermisch belastet werden.
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- Hohe Energie auf engem Raum
- Die Wärmespannungen sind darauf zurückzuführen,
dass der Laserstrahl hohe Energie auf sehr begrenzten Raum einbringt.
So entstehen während des Bauprozesses große Temperaturdifferenzen
innerhalb des Bauteils. Experimentell kann eine solche Temperaturverteilung
wegen des hohen Temperaturgradienten und des schnellen Prozessablaufs
nur bedingt erfasst werden. Für ein vertieftes Prozessverständnis
ist die Kenntnis dieser Temperaturfelder aber unverzichtbar.
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- Auf dieses Problemfeld ist das DFG-geförderte
Projekt zugeschnitten. Um die Abläufe beim Laserstrahlsintern
besser zu verstehen, wurde ein numerisch-experimentell gekoppelter
Ansatz gewählt. Der Laserstrahlsinterprozess wurde über
ein maskroskopisches Finite-Elemente-Modell abgebildet. Die Strahl-Stoff-Wechselwirkungen
wurden bereits erfasst und implementiert. Das Modell kann den
schichtweisen Aufbau und den Energieeintrag durch den Laserstrahl
abbilden. In der Wiedergabe des Temperaturfelds zeigte sich beim
Vergleich mit experimentell gewonnenen Ergebnissen eine sehr
gute Übereinstimmung.
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- Die numerische Simulation ermöglicht
es nun, Prozesseinflussgrößen zu separieren, um die
Auswirkungen auf derartige Temperaturverläufe bzw. auf die
Eigenspannungsentwicklung zu untersuchen. Dies soll wesentlich
dazu beitragen, DMLS-Prozesse zu stabilisieren und zu optimieren.
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- Weitere Informationen
- Prof. Dr.-Ing. Manfred Geiger
Dipl.-Ing. Frank Niebling
Tel.: 09131/85 -27140, -23246
niebling@lft.uni-erlangen.de
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- Im DMLS-Prozess gefertigte Funktionsprototypen
(Leiträder von Drehmomentwandlern.)
- Foto: FAU
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Mediendienst FORSCHUNG Nr. 627 vom 26.04.2002
Sachgebiet Öffentlichkeitsarbeit (Pressestelle)
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