Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ortsaufgelöste Temperaturerfassung im Bauraum und Regelung des Laser Sinterns durch Hochgeschwindigkeit-Pyrometrie

Die Prozessführung gängiger Lasersintermaschinen in der Kunststoffverarbeitung geht davon aus, dass die Temperatur auf der Baufläche zeitlich und räumlich konstant ist. Deshalb wird die Laserleistung auf einem konstanten Wert gehalten. Aufgrund von Alterungsprozessen in den einzelnen Heizelementen der Bauraumheizung, Bauform des Bauraums und Alterung des Lasersystems kommt es zu inhomogenen Temperaturverteilungen auf dem Baufeld. Weiterhin schwanken die Materialeigenschaften von Charge zu Charge, während die Bauteilgeometrie ebenfalls einen Einfluss auf die Wärmeverteilung auf dem Baufeld hat. Infolgedessen ist der Sinterprozess mit konstantem Energieeintrag nur bedingt beherrschbar und fast ausschließlich für teilkristalline Werkstoffe mit einem großen Abstand von Glasübergangstemperatur und Schmelztemperatur prozesssicher umsetzbar. Um diesen Einschränkungen entgegenzuwirken besteht der Bedarf nach einer Möglichkeit, die eingetragene Laserleistung für den Sinterprozess lokal, flexibel und dynamisch zu regeln. Die dafür notwendige Hochgeschwindigkeits-Temperaturerfassung bietet sich durch Pyrometrie mit Abtastraten von bis zu 50 kHz an. Durch den Einsatz synchronisierter Doppelscanner besteht erstmals die Möglichkeit, den Messfleck dem Laserfokus vorlaufend, nachlaufend oder frei programmierbar auszulenken. Dabei kann der zeitliche u. räumliche Versatz zwischen Messfleck und Bearbeitungsbereich flexibel an die Bauteilgeometrie und Dynamik der Leistungsstellung angepasst werden. Die dadurch erreichte präzise Prozessregelung ermöglicht den Anwendern von Lasersinteranlagen, welche zum großen Teil KMU sind, eine deutliche Erhöhung der Bauteilqualität. Zusätzlich wird die Prozessführung stabiler, was eine Verringerung des Ausschusses zur Folge hat. Von den Anlagenherstellern EOS u. Materialise kann das neuartige System direkt nach dem Forschungsvorhaben in die zukünftigen Maschinengenerationen implementiert werden, wodurch es den KMU in kurzer Zeit zur Verfügung steht.

Ergebniszusammenfassung:

Beim temperaturabhängigen SLS-Prozess kommt es bereits bei geringen Temperaturänderungen zu inhomogenen Drucken mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften. Der hier entwickelte Ansatz erweitert einen SLS-Versuchsstand um ein hochdynamisches Doppelscannersystem. Dieses ermöglicht es den Messstrahl eines Pyrometers unabhängig vom Laser zu positionieren und somit die Temperatur im Bauraum lokal und zeitlich aufgelöst zu erfassen. Basierend auf den Messwerten wird ein Laser in Echtzeit geregelt. Das entwickelte System bietet eine Toolbox zur Überwachung und Regelung vieler scannerbasierter Anwendungen. Das System ist modular aufgebaut. Zum einen lässt sich die Hardware, verbunden mit etwas Programmieraufwand, in andere Systeme integrieren. Somit sind zukünftige Experimente nicht auf den hier vorgestellten Aufbau beschränkt. Andererseits ist das System an sich modular aufgebaut, sodass Ein- und Ausgänge für die Scannersignale mit den zugehörigen Eigenschaften gezielt definiert werden können (z.B. Kopieren eines Scannersignals, zeitliches Delay). Diverse Sensorsignale können als Input eingelesen und verarbeitet werden (z.B. Temp.). Es können externe Komponenten anhand der Eingangssignale geregelt werden (z.B. Laserleistung). Untersuchungen der Temperatur im Bauraum einer SLS-Anlage demonstrieren das hohe Potenzial der entwickelten Technologie. Im Vergleich zu einem vorher mittels Thermografie validierten Prozess auf einer industriellen Anlage konnte gezeigt werden, dass bereits bei den ersten Testversuchen eine annehmbare Qualität erreicht werden konnte, die sich durch weitere Prozessentwicklungen noch verbessern lässt. Gerade für Materialien, die eine viel höhere Verarbeitungstemperatur und spezielle Drucker voraussetzen, ist das Potenzial sehr groß. Diese Drucker sind sehr teuer, sodass die Möglichkeit der Verarbeitung dieser Materialien auf einfachere Drucksysteme eine Kostenreduzierung bedeutet. Somit wird der komplette Prozess wirtschaftlicher und nachhaltiger.