Laser-Sintern. Die Schluesseltechnologie des e-Manufacturing TM

e-Manufacturing™, das ist die schnelle, flexible und kostengünstige Fertigung von Produkten, Formen/Werkzeugen oder Modellen direkt aus elektronischen Daten. e-Manufacturing™ schließt Rapid Prototyping, Rapid Tooling oder Rapid Manufacturing ein, geht aber zugleich weit über den Gedanken der schnellen Verfügbarkeit hinaus. Zwar wird auch in Zukunft die schnelle Produktentwicklung eine immer wichtigere Rolle spielen, bei der e-Manufacturing™ für ein verkürztes Time to Market sorgt, Entwicklungskosten verringert und zur Risikominimierung beiträgt. Darüber hinaus entstehen aber auch neue Geschäftsmodelle, da Kleinserienproduktion, steigende Variantenvielfalt und eine individualisierte Produktion (Mass Customization) plötzlich möglich und wirtschaftlich sind und sich neue Logistikkonzepte wie (Spare) parts on demand entwickeln. Die neue Konstruktionsfreiheit des Laser-Sinterns ermöglicht neue Produktkonzepte. Minimale Einschränkungen durch das Fertigungsverfahren erlauben funktionelle Integration und die Fertigung des „Unmöglichen“, da kreisförmige und lineare Werkzeugbewegungen das Produktdesign nicht mehr beeinflussen bzw. limitieren. Auch die Fertigungskonzepte unterliegen einem Wandel und werden deutlich flexibler. Werkzeuglose Produktion, losgrößenangepasste Fertigung und dezentrale Fertigung on demand sind die Schlagworte der Zukunft. Der vorliegende Beitrag zeigt Beispiele für den erfolgreichen kommerziellen Einsatz von Laser-Sintern in allen Phasen des Produktlebenszyklus. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der direkten Herstellung von Funktionsteilen in der Serienfertigung. Die entscheidenden Faktoren für eine erfolgreiche Einführung und Anwendung von e-Manufacturing™ werden diskutiert. Der Beitrag zeigt auf, wie die neuesten technologischen Innovationen im Laser-Sintern, speziell zur Produktivitätssteigerung, das Spektrum der Anwendungsfelder erweitern, in denen dieses Fertigungsverfahren kostengünstige Lösungen bietet.

Thermographie zur Temperaturmessung beim Laser-Sintern – ein Beitrag zur Qualitätssicherung?

Beim Laser-Sintern wird das Pulverbett durch Heizstrahler vorgeheizt, um an der Pulveroberfläche eine Temperatur knapp unterhalb des Materialschmelzpunktes zu erzielen. Dabei soll die Temperaturverteilung auf der Oberfläche möglichst homogen sein, um gleiche Bauteileigenschaften im gesamten Bauraum zu erzielen und den Bauteilverzug gering zu halten. Erfahrungen zeigen jedoch sehr inhomogene Temperaturverteilungen, weshalb oftmals die Integration von neuen oder optimierten Prozessüberwachungssystemen in die Anlagen gefordert wird. Ein potentiell einsetzbares System sind Thermographiekameras, welche die flächige Aufnahme von Oberflächentemperaturen und somit Aussagen über die Temperaturen an der Pulverbettoberfläche erlauben. Dadurch lassen sich kalte Bereiche auf der Oberfläche identifizieren und bei der Prozessvorbereitung berücksichtigen. Gleichzeitig ermöglicht die Thermografie eine Beobachtung der Temperaturen beim Lasereingriff und somit das Ableiten von Zusammenhängen zwischen Prozessparametern und Schmelzetemperaturen. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurde ein IR-Kamerasystem erfolgreich als Festeinbau in eine Laser-Sinteranlage integriert und Lösungen für die hierbei auftretenden Probleme erarbeitet. Anschließend wurden Untersuchungen zur Temperaturverteilung auf der Pulverbettoberfläche sowie zu den Einflussfaktoren auf deren Homogenität durchgeführt. In weiteren Untersuchungen wurden die Schmelzetemperaturen in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter ermittelt. Auf Basis dieser Messergebnisse wurden Aussagen über erforderliche Optimierungen getroffen und die Nutzbarkeit der Thermografie beim Laser-Sintern zur Prozessüberwachung, -regelung sowie zur Anlagenwartung als erster Zwischenstand der Untersuchungen bewertet.

Ursachen für eine mangelnde Reproduzierbarkeit beim Laser-Sintern von Kunststoffbauteilen

Das Laser-Sintern hat sich in den letzten Jahren zunehmend als Kleinserienfertigungsverfahren für Kunststoffbauteile etabliert. Dennoch entspricht die Bauteilqualität aufgrund von Verzug oder mangelnder Reproduzierbarkeit der Eigenschaften oftmals nicht den Anforderungen. Ein Grund hierfür ist die inhomogene Temperaturführung während des Prozesses. So ergeben sich aufgrund einer inhomogenen Temperaturverteilung auf der Pulverbettoberfläche sowie durch unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten im Pulverbett zum Teil deutliche lokale Unterschiede im Temperatur-Zeit-Verhalten. Grundlegende Untersuchungen zu diesen Effekten fehlen jedoch bislang. Im Rahmen der dargestellten Untersuchungen gilt es daher zum einen die Reproduzierbarkeit verschiedener Laser-Sinter-Anlagen in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften, die Maßhaltigkeit und die Bauteildichte zu analysieren und zum anderen diese Ergebnisse mit den lokalen Temperatur- und Abkühlbedingungen im Pulverbett zu korrelieren. Dabei werden durch thermografische Untersuchungen die Temperaturverteilung an der Pulverbett-oberfläche charakterisiert sowie durch Einsatz entsprechender Funk-Temperatur-messsensorik die lokalen Abkühlbedingungen von Bauteilen innerhalb des Pulverbettes analysiert. Diese lokalen Temperatur- und Abkühlbedingungen sollen anschließend mit positionsabhängigen Analysen zum Bauteilschrumpf korreliert werden. Abschließend werden Optimierungspotentiale für ein neuentwickeltes Temperaturführungssystem mit homogeneren Temperatur- und Abkühlbedingungen abgeleitet.

Die Festigkeit in Abhängigkeit von Scanstrategien & -optionen beim Lasersintern vom Kunststoff

Die Scanstrategie beim LS vom Kunststoff hat einen maßgeblichen Einfluss auf den Energieeintrag in das Pulverbett und somit auf die mechanischen und optischen Eigenschaften des Bauteils. Daher bieten manche Systeme die Möglichkeit verschiedener Scanstrategien oder Scanoptionen, die je nach Anwendung und gewünschten Eigenschaften ausgewählt werden können. In diesem Artikel werden die grundlegenden Aspekte der Scanstrategie beim Laser Sintern vom Kunststoff, sowie die Double-Belichtungsfunktion aufgegriffen, mit dem Ziel den genauen Einfluss der Scanstrategie bzw. Scanoptionen auf die mechanischen Eigenschaften von Thermoplasten zu ermitteln.

Auslegung, Konstruktion und Fertigung von strömungsmechanischen Funktionsprototypen mittels Rapid Manufacturing

Bei der Fertigung von Funktionsbauteilen für Strömungsversuche spielt das Design und die Komplexität der Bauteilgeometrie eine wesentliche Rolle. Ziel der interdisziplinären Zusammenarbeit der Lehrstühle Strömungsmaschinen, Rechnereinsatz in der Konstruktion und Fertigungstechnik mit dem Rapid Technology Center (RTC) an der Universität Duisburg-Essen ist es, das Potenzial der additiven Fertigungsverfahren bei der Herstellung von Funktionsprototypen für strömungsmechanische Anwendungen effektiv zu nutzen. An verschiedenen, auf dieser Kooperation beruhenden, Best Practise Beispielen wird gezeigt wie das Laser-Sintern in die Prozesskette zur Herstellung von Laufrädern u. Ä. in unterschiedlichen Größenordnungen integriert werden kann. In diesem Zusammenhang werden auch die Vorüberlegungen (z. B. durch Simulation), Wechselwirkungen und Folgeprozesse, die mit dieser Fertigungstechnologie verbunden sind, aufgezeigt.

Auslegung, Konstruktion und Fertigung von strömungsmechanischen Funktionsprototypen mittels Rapid Manufacturing

Bei der Fertigung von Funktionsbauteilen für Strömungsversuche spielt das Design und die Komplexität der Bauteilgeometrie eine wesentliche Rolle. Ziel der interdisziplinären Zusammenarbeit der Lehrstühle Strömungsmaschinen, Rechnereinsatz in der Konstruktion und Fertigungstechnik mit dem Rapid Technology Center (RTC) an der Universität Duisburg-Essen ist es, das Potenzial der additiven Fertigungsverfahren bei der Herstellung von Funktionsprototypen für strömungsmechanische Anwendungen effektiv zu nutzen. An verschiedenen, auf dieser Kooperation beruhenden, Best Practise Beispielen wird gezeigt wie das Laser-Sintern in die Prozesskette zur Herstellung von Laufrädern u. Ä. in unterschiedlichen Größenordnungen integriert werden kann. In diesem Zusammenhang werden auch die Vorüberlegungen (z. B. durch Simulation), Wechselwirkungen und Folgeprozesse, die mit dieser Fertigungstechnologie verbunden sind, aufgezeigt.

Ansätze zur Qualitätsbewertung von generativen Fertigungsverfahren durch die Einführung eines Kennzahlensystems

Generative Fertigungsverfahren haben sich in den letzten Jahren als effektive Werkzeuge für die schnelle Entwicklung von Produkten nahezu beliebiger Komplexität entwickelt. Gleichzeitig wird gefordert, die Reproduzierbarkeit der Bauteile und auch seriennahe bzw. seriengleiche Eigenschaften zu gewährleisten. Die Vielfalt und der Umfang der Anwendungen sowie die große Anzahl verschiedener generativer Fertigungsverfahren verlangen adäquate Qualitätsüberwachungs- und Qualitätskontrollsysteme. Ein Lösungsansatz für die Qualitätsbewertung von generativen Fertigungsverfahren besteht in der Einführung eines Kennzahlensystems. Hierzu müssen zunächst Anforderungsprofile und Qualitätsmerkmale für generativ hergestellte Bauteile definiert werden, welche durch Prüfkörpergeometrien abgebildet und mit Hilfe von Einzelkennzahlen klassifiziert werden. In Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurde die Qualitätsbewertung anhand von Prüfkörpergeometrien am Beispiel des Laser-Sinterprozesses qualifiziert. Durch Beeinflussung der Prozessparameter, d.h. der gezielten Einbringung von Störgrößen, welche einzeln oder in Kombination zu unzulässigen Qualitätsschwankungen führen können, ist es möglich, die Qualität des Produktes zu beurteilen. Die Definition von Einzelkennzahlen, die eine Steuerung und Kontrolle sowie eine Vorhersage potentieller Fehler ermöglicht, bietet hierbei essentielle Möglichkeiten zur Qualitätsbewertung. Eine Zusammenführung zu einem gesamtheitlichen Kennzahlensystem soll zum einen den Prozess auf Grundlage der definierten Anforderungsprofile bewerten und zum anderen einen direkten Zusammenhang der ausgewählten Störgrößen und Prozessgrößen herleiten, um vorab eine Aussage über die Bauteilqualität treffen zu können.

Thermal tweezers for manipulation of adatoms and nanoparticles on surfaces heated by interfering laser pulses

We conduct the detailed numerical investigation of a nanomanipulation and nanofabrication technique—thermal tweezers with dynamic evolution of surface temperature, caused by absorption of interfering laser pulses in a thin metalfilm or any other absorbing surface. This technique uses random Brownian forces in the presence of strong temperature modulation (surfacethermophoresis) for effective manipulation of particles/adatoms with nanoscale resolution. Substantial redistribution of particles on the surface is shown to occur with the typical size of the obtained pattern elements of ∼100 nm, which is significantly smaller than the wavelength of the incident pulses used (532 nm). It is also demonstrated that thermal tweezers based on surfacethermophoresis of particles/adatoms are much more effective in achieving permanent high maximum-to-minimum concentration ratios than bulk thermophoresis, which is explained by the interaction of diffusing particles with the periodic lattice potential on the surface. Typically required pulse regimes including pulse lengths and energies are also determined. The approach is applicable for reproducing any holographically achievable surfacepatterns, and can thus be used for engineering properties of surfaces including nanopatterning and design of surface metamaterials.