Die Additive Fertigung metallischer Komponenten bietet vielfältige Möglichkeiten, stellt die Technologie jedoch auch vor prozess- und materialbezogene Herausforderungen. Ein zentrales Forschungsthema am blz ist daher die Optimierung der Prozessumgebung im laserbasierten Pulverbettschmelzen von Metallen (PBF-LB/M). Unser gemeinsames ZIM-Forschungsprojekt „Intelligente und effiziente Schutzgasführung beim laserbasierten Pulverbettschmelzen von Metallen (PBF-LB/M)“ (IntProFlow3D) mit der ULT AG zeigt exemplarisch, wie praxisorientierte Forschung und Entwicklung dazu beitragen kann, Qualität, Effizienz und Anlagenverfügbarkeit gleichzeitig zu verbessern.
Schutzgasführung als kritischer Einflussfaktor für PBF-LB/M
Während des Schmelzprozesses entstehen verschiedenste Nebenprodukte – darunter Spritzer, Partikel aus dem Bearbeitungsplasma sowie Metalldämpfe. Ihre Auswirkungen sind vielfältig:
- Abschwächung und Streuung des Laserstrahls
- Ablagerungen auf Pulverbett, Optiken und Kammerwänden
- erhöhte Bauteilrauheiten und potenzielle Defektbildung
- zusätzlicher Wartungs- und Reinigungsaufwand
Konventionelle, flächig ausgelegte Schutzgassysteme stabilisieren den Prozess zwar grundsätzlich, stoßen allerdings vor allen bei größeren Bauräumen an ihre Grenzen und verbrauchen außerdem große Mengen an Gas und Energie. Damit entsteht ein klarer Ansatzpunkt für innovative und nachhaltige Lösungen.
Projektziel – Lokale und adaptive Strömungskonzepte
Bedarfsgerechte Schutzgasströmung statt flächiger Überversorgung
Im Projekt IntProFlow3D wurde eine modulare Schutzgaslösung entwickelt, die sich flexibel in bestehende Anlagen integrieren lässt. Das Konzept basiert auf lokal und vertikal gerichteten Strömungen, die sich deutlich präziser an das reale Prozessgeschehen anpassen lassen als klassische Systeme. Perspektivisch ist eine direkte Kopplung an die Scanstrategie des Lasers vorgesehen – ein wichtiger Schritt in Richtung intelligenter Anlagensteuerung.
Ergebnisse der Forschung und Entwicklung am blz
Durch die systematische Analyse und Simulation der Prozessnebenprodukte konnten erstmals deren konkrete Auswirkungen auf den Laserstrahl quantifiziert werden. Dazu gehören unter anderem Leistungsabschwächungen, Veränderungen der Strahlgeometrie sowie eine Verschlechterung des M²-Parameters.
Nachweisbare Verbesserungen bei Effizienz und Prozessstabilität
Die im Projekt validierten Strömungskonzepte zeigen klare Vorteile:
- deutlich geringerer Gasvolumenstrom (ca. 50 %)
- rund um die Hälfte reduzierter Energiebedarf der Gasförderung
- homogenere Strömungsverteilung im relevanten Bauvolumen
- weniger Kontamination an Optiken und Kammerwänden
- Hinweise auf verbesserte Bauteileigenschaften
Damit liefert das Projekt wichtige Impulse für die nachhaltige Optimierung der additiven Prozessumgebung.
Ausblick – Von der Forschung in die industrielle Anwendung
Auf Grundlage der validierten CFD-Modelle werden derzeit verschiedene Düsen- und Modulkonzepte weiterentwickelt, darunter Mehrloch- oder Multi-Inlet-Anordnungen. Ziel ist eine adaptiv regelbare, herstellerübergreifende Schutzgaslösung, die Ressourcen spart, Filterstandzeiten verlängert und Anlagen zuverlässiger macht.
Wer tiefer in die wissenschaftlichen Details einsteigen möchte, findet weitere Informationen in der Veröffentlichung eines Journalartikels zu IntProFlow3D. Natürlich stehen wir auch gerne persönlich für Rückfragen zur Verfügung.
Und morgen geht es weiter mit einem neuen Türchen!
Das Beitragsbild zeigt eine quantitative und qualitative Bewertung der Prozessnebenprodukte. a) bildet die zeitabhängige Konzentration von während der Laserbestrahlung entstehenden Partikeln ab; in b) ist die Streuung des Laserstrahls an Prozessnebenprodukten bei verschiedenen Konfigurationen des Schutzgasstroms dargestellt (horizontalen Schutzgasströmung (H-SGS) vertikal gerichtete Schutzgasströmung (LV-SGS) ohne Schutzgasströmung (o-SGS)).
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