Selektives Lasersintern von Keramik

Die Professur für Ingenieurkeramik des Institutes für Nichtmetallische Werkstoffe der TU Clausthal präsentiert auf der internationalen Fachmesse Ceramitec vom 17. bis 21. Oktober 2000 in München Ergebnisse aktueller Forschungsvorhaben zum selektiven Lasersintern von Keramik.

Die Professur für Ingenieurkeramik (Prof. Dr.-Ing. Jürgen G. Heinrich) des Institutes für Nichtmetallische Werkstoffe der TU Clausthal präsentiert auf der internationalen Fachmesse Ceramitec vom 17. bis 21. Oktober 2000 in München Ergebnisse aktueller Forschungsvorhaben zum selektiven Lasersintern von Keramik.

Die Herstellung keramischer Prototypen ist bislang mit viel Handarbeit verbunden und daher zeitaufwendig. Das neue Verfahren, gegenwärtig in der Entwicklungsphase befindlich, wird den Aufwand der Modell- und Formenherstellung drastisch verringern.

Für dieses Ziel werden zunächst mit dem 3D-CAD-System Unigraphics Modelle im Rechner erstellt, in Schichten geschnitten und als NC-Datensatz exportiert. Dafür finden Standard-Programm-Module Anwendung. In den Lasersinteranlagen werden diese Datensätze von einem eigens programmierten Post-Prozessor weiterverarbeitet und zum sukzessiven Aufbau von keramischen Prototypen verwendet.

Das angestrebte Verfahren hat mit den meisten Lösungsansätzen des Rapid Prototyping den schichtweisen Aufbau des Bauteils gemeinsam. Dazu wird das Pulver in einer Lage von wenigen Zehntelmillimetern Dicke auf einen Objekttisch aufgebracht. Anschließend wird die Schichtinformation des herzustellenden Bauteils mit dem Laser selektiv auf der Pulverschicht abgebildet. Der Tisch fährt um eine Schicht-dicke nach unten, eine weitere Pulverlage wird aufgetragen und der Laserprozess beginnt von neuem.

Nach Abbildung aller Schichten kann der Prototyp aus dem Prozessraum herausgenommen und gegebenenfalls weiteren Behandlungsschritten, dem finishing, unterzogen werden. Im Fall der Porzellanherstellung wird es sich dabei um eine Nachsinterung zur weiteren Verdichtung und Verfestigung des Scherbens sowie um die Glasierung des Bauteils handeln.

Im Rahmen der erwähnten Arbeiten sollen nicht nur technologische Aspekte, sondern auch die Wechselwirkungen von Laserstrahlung unterschiedlicher Wellenlänge mit verschiedenen keramischen Werkstoffen durch Parameterstudien untersucht werden. Um ein möglichst breites Anwendungsspektrum abzudecken, kommen dabei zwei unterschiedliche Sinteranlagen mit verschiedenen Lasern – CO2 und Nd:YAG – zur Anwendung.

Neben der bereits erwähnten Methode – Bauteilaufbau mit einem fahrbaren Objekttisch und lagenweise diskontinuierlicher Pulverzuführung – wird eine weitere Methode mit kontinuierlicher Pulverzuführung angewandt. Kernstück der Anlage ist ein Roboterarm, der in einem speziellen Kopf einen Lichtwellenleiter und eine pneumatische Pulverzuführung kombiniert. Durch diese Anordnung treffen Laserstrahl und keramisches Pulver in einer Düse aufeinander und die Wechselwirkungen finden statt, bevor das Material die Düse verlässt.

Im Vergleich zur Verwendung von Verfahreinheiten für das Pulverbett ist es mit dem wesentlich flexibler einsetzbaren Roboter möglich, Bewegungen des Laserstrahls nebst Pulverzuführung frei im Raum durchzuführen und somit kompliziert geformte monolithische keramische Bauteile herzustellen oder verschiedenste Bauteilgeometrien mit keramischem Material zu beschichten.

Im Gegensatz zu konventionellen Herstellungsverfahren werden beim Lasersintern die Aufheiz- und Abkühlvorgänge des Materials wesentlich beschleunigt. Die sich daraus ergebenden Unterschiede im Materialverhalten sind Gegenstand der laufenden Untersuchungen.

Die Ankopplung des Laserstrahls an die Materie vollzieht sich innerhalb einer Eindringtiefe bis annähernd zum doppelten seiner Wellenlänge und somit innerhalb eines Bruchteils der eigentlichen Schichtdicke. Alle weiteren das Pulver verfestigenden Prozesse werden demzufolge nur aufgrund von Wärmeleitprozessen innerhalb der Schüttung ausgelöst.

Beim schichtweisen Aufbau eines Bauteils mit Schichtdicken von teilweise unter 100 µm wird in der Regel eine hohe Relativgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und Materie gewählt, damit der Energieeintrag nicht zu hoch wird. Daraus ergeben sich Laser-Stoff-Wechselwirkungszeiten von wenigen µs. Diese Beziehungen werden im Rahmen einer Kooperation mit dem Physikalischen Institut eingehend untersucht. Dabei steht nicht die Wechselwirkung eines kompakten homogenen Werkstoffs mit Laserstrahlung, sondern vielmehr die Wechselwirkung einzelner Pulverpartikel bzw. einer losen Pulverschüttung mit dem Laserstrahl im Vordergrund. In der Kooperation der beiden Institute soll ein mesoskopisches Modell zur Beschreibung der Strahl-Pulver-Wechselwirkung entwickelt werden.

Weitere Informationen:
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Heinrich
Institut für Nichtmetallische Werkstoffe
Tel. +49-(0)-5323-72 2354
Fax:+49-(0)-5323-72-3119
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