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Rapid Microtooling

Projektergebnisse: Laser­mikro­sintern - Weiterentwicklung Verfahren

Ansprechpartner: Dipl.-Ing.(FH) Andre Streek, Dipl.-Physiker Robby Ebert



 Neuer Versuchsstand
 Bildanalyse
 Höhenmessung
 Prozess­datengenerierung
 Erkennen von Prozess­fehlern
 Pulverkompaktierung
 Mikromaschine
 Insitu Tiefenmessung
 Weitere Beispiele
 Veröffentlichungen und Dokumente




Neuer Versuchsstand

Es wurde zunächst ein neuer Versuchs­stand zum Laser­mikrosintern re­alisiert, um ge­steigerten An­forderungen an das Ver­fahren gerecht zu werden. Ent­scheidend dabei ist, dass der Laser­strahl definiert positioniert und mit nur geringsten Bahn­ab­weich­ungen bewegt werden kann. Hierfür wurde ein schwings­ungsarmer Granit­aufbau gewählt. Die Sinter­kammer wurde als Vakuum­kammer realisiert, um Ver­suche in ver­schiedenen Atmosphären und Druck­bereichen durch­führen zu können. Des Weiteren wurden ein präziser Galvano­meter - Laser­scanner und hoch­präzise Linear­achsen zur Wahl der rela­tiven Fokus­position ein­gesetzt. Inner­halb der Sinter­kammer befinden sich eben­falls präzise An­triebe, welche den Pulver­transport sowie die für den Bau­prozess nötige Ab­senkung der Bau­platt­form realisieren. Zur Bearbeitung stehen zwei Laser im ns-Bereich (180ns, 8ns) sowie ein Femto­sekunden­laser (180fs) zur Verfügung.

Bildanalyse

Durch die achsparallele Ein­spiegelung des Bildes der Bearbeitungs­stelle auf ein Kamera­modul kann während der Bearbeitung eine Auswert­ung der durch den Laser­prozess generierten lateralen Struk­tur­en durchgeführt wer­den. Diese Analyse ist nicht auf den Prozess des Laser­mikro­sinterns beschränkt und ermöglicht eine Erfolgs- bzw. Ablauf­kontrolle bereits währ­end des Prozesses. Die Strukturen können hierbei beim Pausieren des Prozess­es manuell ge­messen und an­alysiert werden. Die Auf­lösung ist durch Wahl der ein­ge­setzten Kamera­objektive vari­abel gestalt­bar. Un­er­wünsch­tes Prozess­verhalten kann hier­durch früh­zeitig erkannt und idealer­weise ver­mieden werden.

Höhenmessung

Besonders beim Laser­mikro­sintern wurden verschiedenste Methoden zur Erfassung verti­kaler Daten überprüft und beurteilt, da dieses Verfahren sehr stark auf Schwankungen der Pulver- und daraus resultierenden Sinter­schicht­dicke reagiert. Eben­falls vorteil­haft war, die anfäng­liche Lage der Bau­platt­form zu messen und zu beurteilen, da diese bereits bei Beginn des Sinter­vorganges einen we­sent­lichen Einfluss auf das Start­verhalten des Prozess­es hat. Eine bislang teil­weise kon­struktions­bedingte Verkip­pung der Bauplatt­form führt ebenso wie eine zu große Varianz der der Dicke der Pulverschicht während des Prozess­es unweigerlich zu einem Abbruch des Bau­prozess­es. Mittels des Sys­tems der Höhen­messung kann insitu die Ab­senkung der Bauplattform, die Pulver­schichtdicke, der Rakel­gleichlauf sowie der Kompaktierungs­grad des Pulvers hin zur Erzeugung der Sinter­schicht anhand der gewählten Prozess­parameter erfasst werden.

Prozess­datengenerierung

Beim einem Rapid Prototyping - Verfahren wie dem Laser­mikro­sintern, bei welchem ein oder mehrere komplex­ge­formte Bauteile erzeugt werden sollen, fallen sehr große Daten­mengen an. Zunächst muss das zu ge­ne­rieren­de Bau­teil in Schichten zer­legt werden, wobei diese an der ge­wünschten Bau­richtung orientiert werden. Besonders beim Laser­mikro­sintern, bei dem Schicht­dicken im µm-Bereich angewandt werden, die um über eine Größen­ordnung kleiner sind als bei makros­kopischen SLS Verfahren, ent­stehen bereits durch diesen Prozess­schritt eine Viel­zahl von virtuellen Schnitt­bildern, die auf einem Daten­träger bevor­ratet wer­den müssen. Im zweiten Schritt müs­sen diese Schnitte, welche die je­weilige Kontur des Bau­teils in der betref­fenden Höhe wieder­geben, mit einem prozessspezifischen Füllalgorithmus versehen werden. Im einfachsten Fall werden Linienfüllungen eingesetzt, d.h. der Schnitt muss mit Vektordaten für den Galvanometerscanner gefüllt werden. Bei Spurbreiten von nur einigen 10µm entsteht hierbei zusätzlich zu den bereits vorliegenden Konturdaten ein weiteres großes Datenpaket je Schnittfile. Manchmal ist es vorteilhaft, die Füllung in Unterstrukturen zu unterteilen, um eine gleichmäßige Verteilung der resultierenden Wärme über das gesamte Bauteil sicherzustellen. Hiefür müssen den Füllungen mit weiteren Funktionen überlagert werden, um eine lange Vorbereitungszeit zur Datenaufbereitung und Erzeugung zu vermeiden. Im Rahmen des Projektes wurde ein Echtzeit-Slicer erarbeitet, der alle benötigten Funktionen zum Erzeugen der zu verarbeitenden Laservektoren beinhaltet und zudem lediglich die gegenwärtig abzuarbeitende Sinterschicht im Speicher eines Rechners vorhält. Zudem bieten sich hierdurch neue Möglichkeiten für den Lasersinterprozess. So können je nach Bedarf die Füllalgorithmen aber auch die Schichtdicke dynamisch und insitu an den Prozess angepasst werden.

Erkennen von Prozess­fehlern

Durch einen erstmalig für das Verfahren eingesetzten „Vek­tori­sierer“ soll die Erken­nung von Fehlern während des Auf­baues auto­matisiert wer­den. Anhand einer echt­zeit­fähigen Aus­wertung wer­den Prozess­abbrüche in­folge unzu­reichender Schicht­erzeugung während des Sinterns ver­mieden. Hiefür werden die mittels des achs­parallelen Kamera­modules aufge­nom­menen Bilder in einer neu erstell­ten Soft­ware verar­beitet, die anhand der Rück­streuung dicht gesinterte Struk­turen von Ab­rissen oder Teil­bereichen geringer Ver­festigung infolge mangel­haften Pulver­aufzuges der vor­herigen Schicht erkennen kann. Hierfür werden die Kamera­daten anhand vor­ein­ge­stellter Grenz­werte zur Kanten­detektion vektori­siert und an­schließend mit den Soll­daten ver­glichen. Wichtig ist hierbei, dass definierte von undefinierten inneren Strukturen unterschieden werden (Bild rechts), da dies sonst zu Fehlinterpretationen führen würde. Durch Differenzbildung zwischen Soll und Ist-Struktur kann abschließend der Grad der Fehlerfreiheit ermittelt werden. Zukünftig wird der Vektorisierer mit dem Echtzeit-Slicer gekoppelt, um Fehlstellen während des Sintervorganges selbständig korrigieren zu können.

Pulverkompaktierung

Eine neue Entwicklung ist die insitu - Pulverkompaktierung für das Verfahren Laser­mikro­sintern. Es wurde festgestellt, dass die relative Schüttdichte bei sinkender Korngröße stark abnimmt. Somit müssen beim Einsatz feinkörniger Pulver, wie sie beim Laser­mikro­sintern zum Einsatz kommen, relativ größere Schichtdicken verglichen zur erzeugten Sinter­schichtdicke in Kauf genommen werde, was wie­der­um das laterale Auf­lösungs­vermögen mini­miert. Zur Lösung wurde ein zusätz­licher Prozess­schritt während des Rakel­zyklus (Pulver­aufzug) implementiert. Hierfür wird nach jedem Pulveraufzug ein Deckel über die Bau­platt­form gefahren, der diese voll­ständig ver­schließt. Durch Anheben der Bauplattform um einen definierten Wert wird das sich unter dem Deckel befindliche Pulvermaterial kompaktiert. Das verdichtete Pulver erfüllt nun zwei wesentliche Bedingungen für einen stabilen und präzisen Laser­mikro­sinterprozess: zum einen können feinere Strukturen erzeugt werden und zum zweiten wird die Pulververteilung homogenisiert, woraus wiederum eine erhöhte Prozess­sicherheit resultiert.

Mikromaschine

Durch die innerhalb des Pro­jektes realisierten Weiter­ent­wick­lungen des Ver­fahrens war es erst­mals möglich, eine stark miniaturi­sierte funktions­fähige Mikro­maschine zu er­zeugen, welche beweg­liche mit fest­stehenden Kompo­nenten ver­band. Als Demon­strator wurde ein miniaturi­sierter Turbo­lader mit einer Höhe vom 5mm ge­neriert. Dieser wurde in mehrer­en Stunden Bau­zeit nur aus Daten und ent­sprechend feinem Molybdän­pulver er­zeugt. Die extreme Auf­lösung ist anhand der REM-Aufnahme des Flügel­rades oben links zu er­kennen. Rechts ist eine computer­tomo­graphische Ana­lyse des Bau­teils darge­stellt. Zu sehen ist, dass die komplexe innere Struktur voll­ständig er­zeugt werden kon­nte. In der Schnitt­darstellung (oben rechts) ist der Trenn­spalt zwischen Gehäuse und Turbinen­welle zu erkennen, die Breite beträgt ca. 10µm. Zusätzlich wurden Kanäle zur Luftlagerung in das Gehäuse eingebracht, um eine freie Rotation der Turbinenwelle zu ermöglichen.

Insitu Tiefenmessung

Ein weiteres Messverfahren wird zurzeit für das Laser­mikro­sintern erprobt. Aus­gehend vom Prinzip der kon­fokalen optischen Tiefen­messung sollen während des Prozesses die Höhen­daten der gene­rierten Bau­teile insitu erfasst werden, idealer­weise während der Bearbeitung. Zu diesem Zweck wurde ein Konzept zur schnellen Kon­fokal­messung erstellt. Hierbei soll der rück­ge­streute Anteil an Laser­strahlung zur Höhen­bestimmung heran­gezogen werden, indem dieser mittels eine zweiten Optik auf einen Detek­tor fokus­siert wird. Zur schnellen Aus­wertung wird der kollimierte Strahl auf einen Polygon­spiegel­scanner ge­lenkt, der infolge seiner Rotation diesen wiederum auf eine CCD-Zeile ab­bildet. Die Projektion auf der CCD-Zeile ent­spricht dem Bild der resultierenden Strahl­kaustik des kollimierten Strahles. Durch Detektion der Lage des Fokus­punktes kann die Verschiebung der Fokus­höhe des Primärstrahles durch Abtrags- oder Sinterprozesse ermittelt werden. Gegen­wärtig werden die optische Randbedingungen für solch einen Aufbau praktisch geprüft und analysiert, da infolge der gewählten Brennweiten­verhältnisse der Linsen (F-Theta-Optik + Messoptik) die Auflösung des Mess­verfahrens definiert ist und besonders für das Laser­mikro­sintern eine Auflösung im Mikrometer­bereich angestrebt wird.

Weitere Beispiele

Mikro-Kettenglieder aus Molybdän, die in einem hochverdichtenden Bauprozess­ mittels gütegeschaltetem 20W Nd:YAG-Laser an normaler Atmosphäre erzeugt wurden.
Voll funktionsfähiges Mikro-Planetengetriebe aus Molybdän, dass in einem einstufigen, hochverdichtenden Bauprozess­ mittels gütegeschaltetem 20W Nd:YAG-Laser an normaler Atmosphäre generiert wurde.

Veröffentlichungen und Dokumente

 Laser micro sintering - a quality leap through improvement of powder packing pdf-Datei 1803kB
   Laser­mikro­sintern - Qualitätssprung durch verbesserte Pulverdichte



Rapid Micro Tooling Unternehmen Region - Die BMBF-Innovationsinitiative für die Neuen Länder
 
 
Erstellt: 08.02.2010 09:57:49 | Letzte Änderung: 05.01.2012 18:57:25 | Autor: André Streek, Sascha Klötzer
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