Laser Groche VL 5

• Wärmeleitungssimulation oder thermomechanisch-gekoppelte Simulation
• Verluste beim Einkoppeln experimentell bestimmt und nur tatsächlich eingekoppelte Leistung berücksichtigt
• Hauptproblem: Simulation der bewegten Wärmequelle

• Bestimmung optimaler Prozessparameter
• Ermittlungen von Temperaturverteilungen im Bauteil
• Ermittlung von Werkstoff- und Bauteileigenschaften nach dem Prozess

• lasergestützt
• nicht lasergestützt

• 3-D-CAD-Modell konstruier
• CAD-Datei wird in das STL-Format exportier
• Platzieren: Die Lage des Modells im Bauraum wird festgelegt
• Stützen: Stützkonstruktionen und Unterbau werden festgelegt
• Slicen: Die einzelnen Schichten werden berechnet
• Schichtdaten werden zusammen mit verfahrensspezifischen Parametern zur Rapid-Prototyping-Anlage übertragen
• Modellbauprozess

der schichtweise Aufbau dreidimensionaler Modelle

• Stereolithographie
• Multi-material Stereolithographie
• Laminated Object Manufactoring (LOM)
• Selektives Laser Sintern
• Selective Laser Melting (SLM)
• Laserstrahlgenerieren
• 3D-Printing

• Basiert auf Aushärtung eines flüssigen Photopolymers unter Einwirkung eines Laserstrahls
• Laserstrahl (meist Helium-Cadmium oder Argon-Ionen-Laser) => verschiedene optische Elemente (Shutter, Modulator, Umlenkspiegel, Aufweiterungsoptik) => Scanner (in x- bzw. y- Richtung)
• 3D-Erzeugung erfolgt schichtweise
• nachdem eine Schicht abgelaufen, fährt Plattform runter => Recoater bringt flüssigen Photopolymer für nächste Schicht auf
• Neben Prototyp werden Stützelemente ausgehärtet (müssen am Ende entfernt werden)

• genaueste Rapid-Prototyping-Verfahren
• flüssiges Ausgangsmaterial => völlige Entleerung von internen Hohlräumen durch kleine Öffnungen
• ausgehärteten Kunstharze sind transparent
• Große Modelle aus kleineren zusammensetzbar
• Modelle können z. B. durch Sandstrahlen oder Schleifen nachgearbeitet oder auch lackiert werden
• Nicht ausgehärtetes Harz wiederverwendbar

• Materialauswahl ist eingeschränkt
• andere Materialeigenschaften wie Elastizität oder Temperaturbeständigkeit müssen hinter Photosensitivität zurückstehen
• Ausgangsmaterialien sind relativ teuer
• Modell muss in einem zweiten Schritt komplett ausgehärtet werden
• Modelle neigen zum Kriechen
• Schwindung
• Verzug
• geringe Belastbarkeit der Bauteile
• Säuberung und Entfernen der Stützelemente erforderlich

• Einzellage durch Ausschneiden bzw. Konturieren der gesamten Fläche mittels Laserstrahlung
• Dreidimensionale Bauteile entstehen schichtweise (Aufkleben der Schichten)
• Werkstoff - einseitig mit Heißschmelzkleber (z. B. Polyethylen) beschichtetes Papier
• nicht zum Modell gehörenden Teile vom Laserstrahl durch Kreuzschnitte gehatched

CO₂-Laserstrahl (typische Daten: maximale Laserstrahlleistung: ca. 5W; Durchmesser des Laserstrahls am Werkstück: ca. 300μm)

• Trennung vom Modell und umgebenden Werkstoff
• Herstellen filigraner Strukturen

• Papier
• Polyester
• (Metall - noch in Entwicklung)

• CO₂-Lasers (typische Ausgangsleistung: ca. 100W)
• Nd:YAG-Laser

• Partikel liegen lose nebeneinander im Pulverbett
• durch Laserstrahl räumlich selektiv angeschmolzen und so zu Schicht verbunden
• Zwischen benachbarten Sinterteilchen bildet sich durch Oberflächendiffusion eine Kontaktstelle (Hals)
• längeres Einwirken von Temperatur und Druck => Materialtransport im Inneren der Sinterteilchen durch Kompressions- bzw.Volumendiffusion
• elektronisch ansteuerbaren Scanner steuert Laserstrahl
• gesamtes Pulverbett um eingestellte Schichtdicke (100.....250μm) nach unten verfahren
• Walze transportiert neues Pulver zum Pulverbett

• Nichtmetalle (thermoplast. Kunststoffe)
• Metalle
• indirekt
• polymerummantelte Metallpulver
• direkt
• Einkomponentenpulver
• Mehrkomponentenpulver

• Polymerschicht aufgeschmolzen
• Pulvervorbehandlung erforderlich
• Einsatz auf kommerzieller Anlage
• umfangreiche Folgeprozesse (Polymerausbrennen, Nachsintern, Infiltireren)

• direktes Verschmelzen des Werkstoffes
• Einsatz handelsüblicher Werkstoffe (Stahl, Aluminium, Titan)
• kein Infiltrieren und Nachsintern

• Pulvermischung aus hochschmelzender und niedrigschmelzender Komponente
• Bronze-Nickel-Mischung, Eisen-Kupfer-Mischung
• kein Polymerbinder
• Infiltrieren und Oberflächenfinishing

• breite Auswahl an Ausgangsmaterialien
• Serienwerkstoff oder einem dem Serienwerkstoff nahen Werkstoff nutzbar
• Je nach Werkstoff sind Modelle mechanisch und thermisch belastbar
• Nicht versintertes Pulver wiederverwendbar
• keine Stützkonstruktionen
• Reinigung des Modells ohne Lösungsmittel
• Nach Reinigen sofort einsatzbereit

• erzielbare Modellgenauigkeit durch Größe der Pulverteilchen begrenzt
• Je nach Wärmeleitfähigkeit Anschmelzen nicht zum Modell gehöriger Pulverteilchen zum "Wachsen" => Modell mit einer Art "Pelz" aus relativ locker mit Modell verbundenen Pulverteilchen überzogen
• Hohlräume nur schwer zu entleeren/ reinigen
• Maschine muss bis in die Nähe des Schmelzpunktes des Pulvers vorgeheizt werden (zeitintensive Aufwärm- und Abkühlvorgänge)
• Oxidation des Pulvers zu vermeiden => Schutzgasatmossphäre
• nach Entnehmen muss mit Umgebungsluft gefluteter Raum wieder mit Schutzgas gefüllt werden

• Prototypen und Werkzeuge (Bauteile ohne Folgeprozesse direkt einsatzfähig)
• Spritzgussformen
• Modelle für Formguss

• Scanvektorlänge
• Laserwellenlänge
• Laserstrahlleistung
• Laserstrahldurchmesser
• Pulverkorngröße und -form
• Schichtdicke
• Prozessgas (meist Argon oder Helium)
• Scangeschwindigkeit
• Spurabstand

• Selective Laser Melting
• Aufbau erfolgt schichtweise
• Metallpulver ohne Binderzusätze
• vollständig aufgeschmolzen => Bauteildichte von 100% erreicht
• Pulver in geschlossener Prozesskammer als dünne Schicht (ca. 50μm) auf Substratplatte aufgebracht => mit Laser selektiv geschmolzen => Platte fährt runter, nächste Sicht Pulver usw.

• häufig auch als 3D-Auftragsschweißenmit Laserstrahlung bezeichnet
• 3-dimensionale Geometrien aus metallischen Werkstoffen mittels Laserstrahlung direkt aufgebaut
• dünnwandige Hohlprofile als auch vollvolumige Körper herstellbar
• metallische Ausgangswerkstoff wird der Bearbeitung als Draht oder als feinkörniges Pulver
• Rapid Prototyping und Reperaturen/ Instandhaltung

• Prozessführung: Auswirkungen von Verfahrensparametern und Aufbaustrategien auf Erzeugung von dünnwandigen und vollvolumigen Bauteilen muss berücksichtigt werden
• Pulverzufuhr: Wird Werkstoff pulverförmig zugeführt, so sind geeignete Pulverdüsen mit möglichst hohem Pulverwirkungsgrad erforderlich
• Prozessüberwachung: Zur Qualitätssicherung müssen Schmelzbadtemperatur sowie Abstand zwischen Schmelzbad und Pulverdüse geregelt werden

• Werkstoff als feinkörniges Metallpulver zur Bearbeitungsstelle geführt und zusammen mit Substrat lokal aufgeschmolzen
• Werkstoffzufuhr und Energieeinbringung erfolgen simultan in einstufigem Prozess
• Metallpulver durch Inertgasstrom (z. B. Argon) zur Pulverdüse geführt und auf Bearbeitungsstelle fokussiert

• sehr gleichmäßiger Schichtaufbau
• Gefüge ist feinkörnig
• dendritische Struktur
• bevorzugte Wachstumsrichtung der Dendriten quer zu den Schichten
• 

• 3D-Modelle aus Pulver generiert
• In jede Schicht wird Binder mit druckkopfähnlichen Düsen eingespritzt => Pulver verfestigt und mit darunter liegender Schiht verbunden

• Vorteile:
• kurze Bauzeiten
• Farbige Modelle fertigbar
• geringe Materialkosten
• Nachteile:
• je nach Werkstoff versch. Nachbehandlungen
• schlechte mechan. Eigenschaften