Erhöhung der Aufbaurate beim Laser Powder Bed Fusion durch Bearbeitung mit zwei gekoppelten Laserstrahlen

Das Laser Powder Bed Fusion (LPBF) ist das verbreitetste Additive Fertigungsverfahren für metallische Werkstoffe. Allerdings ist die Erhöhung der Aufbaurate ein wesentlicher Schritt für die breitere Nutzung des LPBF in der Produktion. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird deshalb die Bearbeitung mit zwei gekoppelten Laserstrahlen für das LPBF untersucht, wobei eine überproportionale Steigerung der Aufbaurate bei Erhaltung der Bauteilqualität gegenüber dem Single-Laser LPBF erreicht wird.

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Das Laser Powder Bed Fusion (LPBF, dt. Laserstrahlschmelzen) ist das verbreitetste Additive Fertigungsverfahren für metallische Werkstoffe aufgrund der Möglichkeit der direkten, losgrößenunabhängigen Herstellung komplexer Funktionsbauteile auf Basis von 3D-CAD Daten. Zu den derzeit größten Herausforderungen beim LPBF zählt die geringe Aufbaurate durch große Prozesszeiten. Folglich ist die Erhöhung der Aufbaurate ein wichtiger Schritt für die breitere Nutzung des LPBF in der Produktion. Aktuelle Ansätze zur Erhöhung der Aufbaurate umfassen insbesondere die parallele Bearbeitung mit mehreren unabhängigen Laser-Scanner-Systemen sowie die Verwendung größerer Laserleistung in Verbindung mit der Anpassung von Laserstrahldurchmesser und Intensitätsverteilung. Alternative Ansätze wie die Bearbeitung mir mehreren gekoppelten Laserstrahlen sind aus anderen Bereichen der Lasermaterialbearbeitung bekannt, allerdings für das LPBF noch weitestgehend unerforscht. Unter gekoppelten Laserstrahlen wird dabei die gemeinsame Bewegung mehrerer Laserstrahlen durch ein Positioniersystem verstanden. Zur Umsetzung des LPBF mit zwei gekoppelten Laserstrahlen wird zunächst ein optisches System entwickelt. Dafür wird ein bestehendes optisches System für das LPBF um eine Zweistrahloptik zur Anpassung der relativen Laserstrahlpositionen ergänzt und charakterisiert. Unter Einsatz des entwickelten optischen Systems werden High-Speed Videoaufnahmen des LPBF-Prozesses unter Variation des Laserstrahlabstandes und der Leistungsverteilung auf beide Laserstrahlen analysiert, um geeignete Konfigurationen für das LPBF mit zwei gekoppelten Laserstrahlen zu identifizieren. Die ermittelten Konfigurationen dienen als Ausgangspunkt für die Bestimmung der Prozessfenster für das LPBF mit zwei gekoppelten Laserstrahlen. Unter Variation der LPBF-Verfahrensparameter werden Kombinationen bestimmt, mit denen eine relative Bauteildichte oberhalb von 99,9% für die Nickelbasislegierung Inconel ® 625 erzielt werden können. Die ermittelten Prozessführungsstrategien stellen die Grundlage für das abschließende Benchmarking sowie die Fertigung eines Demonstrators dar. Im Rahmen des Benchmarkings wird das LPBF mit zwei gekoppelten Laserstrahlen hinsichtlich verschiedener Qualitätsmerkmale mit dem Single-Laser LPBF verglichen. Zudem wird das Potenzial zur Erhöhung der theoretischen und realen Aufbaurate anhand verschiedener Geometrieklassen abgeschätzt.