Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einsatzgrenzen beim Strahlschmelzen von Glaswerkstoffen

Der Strahlschmelzprozess bietet die Möglichkeit, formungebunden Produkte aus pulverförmigen Werkstoffen mit einer hohen geometrischen Freiheit zu erzeugen. Bisher werden als Ausgangswerkstoffe im wesentlichen Metalle eingesetzt.

Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer Prozessführung, die es ermöglicht, Glaswerkstoffe mittel Strahlschmelzen zu verarbeiten. Neben dem Prozess ist für Anwender auch die Kenntnis der resultierenden Eigenschaften von essentieller Bedeutung. Sind auch diese als Ergebnis des Vorhabens bekannt, können KMU Bauteile aus Glaswerkstoffen mittels Strahlschmelzen mit reproduzierbarer Qualität herstellen und u. a. OEM in High-Technology-Branchen entsprechend der geltenden Standards zuverlässig beliefern. Produktbeispiele sind Komponenten für den chemischen Apparatebau, Messhalterungen oder Laborgeräte. Ein weiteres Anwendungsfeld ist im Bereich Dentaltechnik.

Der Lösungsweg beruht darauf, Erkenntnisse aus der Lasermaterialbearbeitung von Glaswerkstoffen mit den bisherigen Ergebnissen zum Strahlschmelzen von Metallen zu kombinieren. Beide Forschungsstellen verfügen über Erfahrungen in diesen Bereichen, wobei Aachen für die additive Fertigung bekannt ist und das ifw seit über 20 Jahren Glaswerkstoffe mittels Laserstrahlung be- und verarbeitet.

Durch die im vorliegenden Forschungsvorhaben angestrebten Ergebnisse ist es möglich, die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen, im Besonderen von KMU, durch eine neue Werkstoffklasse zum Einsatz beim Strahlschmelzprozess und der Fertigung von neuartigen Produkten am Standort Deutschland sowohl durch Umsatzsteigerung > 2 % p.a. als auch durch Einstellung von Mitarbeitern (Beschäftigungszuwachs > 6 % p.a.) zu stärken und nachhaltig auszubauen.

Ergebniszusammenfassung:

Glaswerkstoffe stellen aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften für viele Anwendungen im Glasapparate- oder Chemieanlagenbau einen relevanten und technisch einsetzbaren Werkstoff dar. Technische Herausforderungen sind insbesondere die schlechte Absorption bei der Wellenlänge von 1,064 µm, die hohe Temperaturbeständigkeit und die schlechte Wärmeleitung. Mit dieser Grundlagenforschung zum L-PBF anhand von Glaspulvern sollten diese Herausforderungen überwunden werden. Im Projekt wurden verschiedene Glaspulverklassen hinsichtlich ihrer geometrischen, thermo- und mechanisch-physikalischen Eigenschaften charakterisiert und die technologische Verarbeitbarkeit im L-PBF-Prozess bei unterschiedlichen Laserwellenlängen untersucht. Die Anlagentechnik wurde an die unterschiedlichen Anforderungen der Glasbearbeitung, insbesondere für Quarzglaspulver mit CO2-Laserstrahlung, angepasst.

Um das Ziel einer vollständigen Verschmelzung der Materialien zu erreichen und für potentielle Anwender eine systematische Vorgehensweise sowie material- und anwendungsspezifische Verarbeitungskonzepte zur Verfügung stellen zu können, wurden Prüfkörper aus Borosilikat- und Quarzglas hergestellt, Untersuchungen zur Verbesserung der Bauteilqualität (Porosität, Rauheit und Dichtheit) mittels einer Wärmenachbehandlung (Tempern) erfolgreich durchgeführt sowie Analyse- und Prüfmethoden zur Pulvercharakterisierung und Qualitätsbewertungen evaluiert.

Es konnten Prozessparameter ermittelt und die grundsätzliche Verarbeitbarkeit der Glaspulver nachgewiesen werden. Als Ergebnis der Versuche stehen Parameterfenster zur Verfügung, in welchen eine Verarbeitung von Borosilikat- und Quarzglas möglich ist. Es zeigte sich, dass die Parameter aufgrund der Wärmeagglomeration stark von der geometrischen Form der Probe abhängen. Die Qualifizierung von Prozess- und Maschinenparametern ist daher wesentlich schwieriger als bei metallischen Werkstoffen und muss in weiteren Untersuchungen weiter optimiert werden.