Ressourceneffizientes und reproduzierbares Hochleistungs- Laser-Sintern zur Herstellung von Kunststoffbauteilen (HiPerLS)

Problemstellung
Laser-Sintern (LS) ist ein generatives, schichtweise aufbauendes Fertigungsverfahren, mit dem sich aus pulverförmigem Ausgangsmaterial industrietaugliche Kunststoffteile, wie z. B. Luftführungselemente im Antriebsbereich ohne Formwerkzeug herstellen lassen. Deshalb gewinnt dieses Verfahren zunehmend an Bedeutung bei der Herstellung komplexer Bauteile in kleinen Serien. Die Reproduzierbarkeit der Bauteileigenschaften genügte dabei bislang oftmals noch nicht den Funktions- beziehungsweise Kundenanforderungen. Ursachen für Qualitätsschwankungen waren ungenaue Temperaturführung und örtlich ungleichmäßiger Energieeintrag im Prozess. Gleichzeitig beschränkten lange Prozesszeiten von bis zu mehreren Tagen sowie der hohe Materialverbrauch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Hierdurch wurde die Zahl möglicher Anwendungen noch begrenzt. Das spezifische Verhalten geeigneter Kunststoffmaterialien sowie die komplexen Anforderungen an die Prozessführung zur Erzielung qualitativ gleichbleibend hochwertiger Bauteile verhinderten die Steigerung der Produktivität und Wirtschaftlichkeit des Laser-Sinterns.

Projektziele
Im Forschungsprojekt HiPer-LS wurden neue technologische Lösungen zur Produktivitäts- und Reproduzierbarkeitssteigerung des Laser-Sinterns erarbeitet. Mit dem Einsatz einer neuartigen Prozessüberwachung und einer Regelung des an die Bauteilgeometrie angepassten Energieeintrags können gleichmäßig gute Bauteileigenschaften sichergestellt werden.

Vorgehensweise
Zur Beschleunigung des LS-Prozesses wurden variable Laser-Optik-Systeme entwickelt. Diese wurden so konzipiert, dass sie die Energie eines leistungsstarken Lasers in das Pulvermaterial einbringen, ohne dabei die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs und geometrischen Eigenschaften des entstehenden Bauteils zu beeinträchtigen. Die Verwendung einer auf Thermografie basierenden Prozessüberwachung erlaubt zudem die Korrektur der Prozessführung in Echtzeit, d. h. von Schicht zu Schicht, und damit die Erzielung gleichmäßiger Bauteileigenschaften. Durch diese Neuerungen konnte eine signifikante Weiterentwicklung des Laser-Sinterns zu einem Hochleistungsfertigungsverfahren für Kleinserien von 1 bis zu einigen 100 oder sogar 10.000 Bauteilen erreicht werden.

Ergebnisverwertung
Die prototypische Anwendung erfolgte an einem Kleinserien-Bauteil aus Polyamid für den Sonderfahrzeugbau.
Als Ergebnis konnte die Weiterentwicklung des Laser-Sinterns zu einem qualitätssicheren und wirtschaftlichen Kleinserienfertigungsverfahren erreicht werden. Die Nutzung von Hochleistungslasern ermöglicht dabei die Beschleunigung des Prozesses um den Faktor 5-10. Durch die erreichbare Produktivitätssteigerung kann zudem eine Reduzierung des Material- und Energieverbrauchs pro Bauteil realisiert werden. Der Entfall von Formwerkzeugen, verkürzte Durchlaufzeiten und reduzierter Material- und Energieverbrauch bei der Bauteilfertigung tragen zur Ressourcenschonung und Wirtschaftlichkeit bei. Dadurch können neue Märkte mit höheren Bauteilanforderungen, wie Automobilbau oder Maschinenbau, bedient werden.

• BMW AG
• EOS GmbH Electro Optical Systems
• FESTO AG & Co. KG
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• InfraTec GmbH Infrarotsensorik und Messtechnik
• K+K Wissen GmbH & Co.KG
• Universität Duisburg-Essen