Wärmespannungen verringern Bauteileigenschaften

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Weitere Informationen
Prof. Dr.-Ing. Manfred Geiger, Dipl.-Ing. Frank Niebling
Tel.: 09131/85 -27140, -23246 niebling@lft.uni-erlangen.de