SCANLAB Galvo mit digitalem se-Encoder

Kontrollierte Dynamik für additive Prozesse

Hochdynamische Scan-Systeme sind Schlüsselkomponenten für höhere Produktivität und Qualität im industriellen Additive Manufacturing (AM).

Um Mobilitäts- und Industrieprozesse künftig mit grünem Strom speisen zu können, wird es unter anderem auf effiziente Elektroantriebe ankommen. Additive Manufacturing (AM) soll helfen, sie zu fertigen: So plant ein EU-gefördertes Forschungskonsortium unter Beteiligung von Scansonic MI, Magnetstrukturen additiv auf die Rotoroberflächen von Elektromotoren aufzubringen, statt vorgefertigte Permanentmagnete darauf zu montieren. Die Designfreiheit des AM-Verfahrens ermöglicht besser genutzte Bauräume, sowie höhere Leistungsdichten und Betriebsfestigkeit. Zugleich soll der neue Ansatz den Montageaufwand senken, um die Antriebe günstiger fertigen zu können.

Das Projekt liegt im Trend: Laserbasierte additive Metalldruckverfahren sind immer häufiger im industriellen Einsatz. Nach Anfängen im Prototyping geht es nun darum, Serienbauteile zu fertigen. Um die Entwicklung zu beschleunigen, arbeiten AM-Anlagenbauer gemeinsam mit Zulieferern und Forschungsinstituten daran, die Produktivität und Zuverlässigkeit der jungen Technologie zu steigern. Als Schlüsselkomponente erweisen sich dabei jene Scan-Systeme, die in modernsten AM-Anlagen die Strahlen von bis zu zwölf parallel arbeitenden 1000-Watt-Lasern formen und mithilfe galvanometrisch angetriebener Spiegel präzise auf das Bauteil lenken. Ein hochdynamischer Prozess: Rasend schnell blitzen die Laserstrahlen auf einem mikrometer-(µm)-feinen Metallpulverbett auf und fahren immer wieder die Konturen des dort entstehenden Bauteils ab. Schicht für Schicht verschweißen die Laser das Pulver in diesem selektiven Schmelzprozess zu beliebig komplexen Bauteilen.

Mehr Dynamik, Präzision und zunehmende Prozessüberwachung

Digital gesteuerte Zwei- und Dreiachsscan-Systeme auf Basis hochgenauer Galvanoantriebe sorgen dabei für Dynamik, Präzision und Produktivität. Ihre dynamische Strahlformung und -führung ermöglicht es, die Laserspotgrößen im laufenden Prozess zu variieren. RAYLASE bietet ein solches System an, mit dem Spotdurchmesser zwischen 40 und 150 µm sowie präzise Spurabstände im niedrigen einstelligen µm-Bereich möglich sind. Zugleich treibt das Unternehmen ein kameragestütztes Prozess-Monitoring voran: 38.000 Bilder pro Sekunde halten die selektive Laserschmelze auf dem Pulverbett fest. Neben der Highspeed-Kamera liefert ein Pyrometer Temperaturdaten aus dem Schmelzpool. Anhand der Sensordaten wird es möglich, die kontinuierlich erfasste Laserleistung und die Spiegelposition im Scan-Kopf kontinuierlich nachzuregeln – beispielsweise um mithilfe der kontrollierten Spotgröße und Temperaturen für einen homogeneren Aufbau der µm-dünnen Metallschichten zu sorgen.

Auch SCANLAB – seit 30 Jahren ein Pionier im Metalldruck – treibt qualitätsgesicherte AM-Prozesse voran. Schlüssel dazu sind die Scan-Systeme, die das Unternehmen kontinuierlich weiterentwickelt. Die Entwickler setzen neben Pyrometern und Kamerasystemen auch OCT (Optische Kohärenz-Tomografie)-Sensoren zur topologischen Vermessung von Pulverbett und Bauteilen ein. Über intelligente Schnittstellen binden sie deren Daten in die Regelung der Scan-Systeme ein, um so perspektivisch die Prozesssteuerung zu optimieren. Weil die Systeme auch die Laserleistung, die exakten Positionsdaten der Laserstrahlen und sämtliche Feld- und Objektivkorrekturen der Scan-Optik messen und dokumentieren, eröffnet sich die Möglichkeit einer nahezu lückenlosen Qualitätsüberwachung.

Vision: Sensorunterstützte Echtzeitsteuerung additiver Prozesse

Noch nutzen Qualitätsprüfer diese Möglichkeit, um anhand dokumentierter Auffälligkeiten im Nachgang gezielter nach etwaigen Fehlern im Metallgefüge der Bauteile suchen zu können; Zeitachse und topologische Daten führen sie sofort zur verdächtigen Stelle. Doch eröffnet die Prozessüberwachung auch darüber hinaus Möglichkeiten: So können die Sensordaten eine Basis dafür liefern die Prozessparameter nach der Fertigstellung einer Schicht anzupassen, um etwaige Fehler schon im laufenden Prozess zu beheben. In Zukunft sollen die digital vernetzten, smarten Scan-Systeme den Weg zu einer Echtzeitsteuerung additiver Prozesse ebnen und mithilfe der Sensordaten ein hochproduktives, automatisiertes – und fehlerfreies Additive Manufacturing möglich machen. Aussteller der LASER World of PHOTONICS wie Cambridge Technology, RAYLASE, SCANLAB oder Scansonic MI sind die treibenden Kräfte dieser immer näher rückenden fertigungstechnischen Zukunftsvision.