Wie die Temperaturregelung die Zukunft des selektiven Laserschmelzens prägt

Erkennung von Prozessunregelmäßigkeiten zur Minimierung von Defekten und Sicherung der strukturellen Integrität

Selektives Laserschmelzen (SLM) ist eine weit verbreitete Technologie der metallischen Additiven Fertigung, bei der ein Pulverbett aus Metall und ein Hochleistungslaser verwendet werden, um metallische Bauteile herzustellen. Obwohl das Verfahren häufig unter anderen Bezeichnungen wie Direct Metal Laser Sintering (DMLS) bekannt ist, lautet der nach ASTM standardisierte Begriff Powder Bed Fusion (PBF). PBF ist eine hochentwickelte Technologie im Bereich Rapid Prototyping, 3D-Druck und Additive Manufacturing, bei der ein hochdichter Laser gezielt Metallpulver schmilzt und Schicht für Schicht verbindet, um komplexe, hochwertige Metallkomponenten herzustellen.

Das konstruierte 3D-Produkt wird durch selektives Schmelzen und Erstarren von Metallschichten erzeugt. Nach jeder Schicht wird die Bauplattform leicht abgesenkt und eine neue Pulverschicht aufgetragen.

Das Pulverbett wird in der Regel vorgeheizt, um die zum Schmelzen benötigte Energie zu reduzieren. Eine gleichmäßige Wärmeverteilung ist entscheidend, um ein hochwertiges Objekt mit homogener Metallstruktur herzustellen.

Die Motivation zur Temperaturüberwachung beim Selektiven Laserschmelzen liegt in der Notwendigkeit, die komplexe thermische Dynamik des Prozesses präzise zu steuern. SLM basiert auf einem Hochenergielaser, der einzelne Schichten des Metallpulvers selektiv schmilzt. Dabei entstehen extrem schnelle Schmelz- und Erstarrungsprozesse mit steilen Temperaturgradienten. Diese können erhebliche thermische Spannungen hervorrufen, die zu Defekten wie Rissen, Verzug oder unerwünschten Mikrostrukturen führen – was die Qualität und die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts beeinträchtigt.

Eine effektive Temperaturkontrolle ist entscheidend, um diese Herausforderungen zu bewältigen. Die hohen Abkühlraten beim SLM führen zu Nichtgleichgewichts-Erstarrung, wodurch Phasenzusammensetzungen entstehen können, die das Material schwächen. Zudem erzeugt die Wechselwirkung des Lasers mit dem Material komplexe Konvektionsströme in der Schmelze, die zu ungleichmäßiger Materialverteilung sowie Poren- oder Hohlraumbildung führen können. Diese Defekte beeinträchtigen die strukturelle Integrität des Bauteils und machen es für anspruchsvolle Anwendungen ungeeignet.

Eine präzise Temperaturüberwachung ist unerlässlich, um Unregelmäßigkeiten wie unzureichende Wärmeabfuhr zu erkennen, die zu Poren, Delamination oder fehlerhafter Erstarrung führen können. Durch die Beobachtung der Temperaturverteilung und ihrer zeitlichen Entwicklung lässt sich die Prozessstabilität verbessern, die Parameteroptimierung unterstützen und die mechanische Festigkeit sowie Maßhaltigkeit der gefertigten Bauteile sichern.

Infrarot-Temperatursensoren mit integriertem Laser-Sperrfilter für das Selektive Laserschmelzen

Zentrale Anwendungen sind die Erfassung der Temperaturverteilung auf der Pulverbettoberfläche und die präzise Messung der Schmelztemperatur – beides kann während des laufenden Laserbetriebs, also in situ, erfolgen. Darüber hinaus ist die Infrarot-Thermografie wertvoll für die Analyse des Abkühlprozesses im gesinterten Bereich. Unzureichende oder ungleichmäßige Erwärmung kann zu unerwünschten Bauteileigenschaften außerhalb der Spezifikation führen – ein Problem, das sich durch thermografische Prozessüberwachung wirksam verhindern lässt. Zusätzlich können Infrarotkameras die Leistung und Gleichmäßigkeit der Strahlungsheizungen in der Lasersinteranlage überwachen, um einen stabilen Betrieb und gleichbleibende Ergebnisse sicherzustellen.

Die Emissivität ist entscheidend für präzise Temperaturmessungen, da sie von zahlreichen Faktoren abhängt und sorgfältig für jede Anwendung kalibriert werden muss. Sie wird beeinflusst durch Materialeigenschaften, Oberflächenbeschaffenheit, Temperatur, Wellenlänge, Messwinkel und Messkonfiguration. Nichtmetallische Oberflächen weisen meist eine konstante Emissivität über verschiedene Wellenlängen auf, emittieren jedoch weniger Strahlung als ideale Schwarzkörperstrahler und gelten daher als graue Strahler. Metallische Oberflächen hingegen zeigen eine Emissivität, die sich mit Temperatur und Wellenlänge ändert, und werden als selektive Strahler bezeichnet.

Für präzise Temperaturmessungen von Metallen empfiehlt sich grundsätzlich der Einsatz kurzwelliger Sensoren. Metalle emittieren bei hohen Temperaturen und kurzen Wellenlängen mehr Strahlung und haben eine höhere Emissivität. In diesem Spektralbereich ähnelt ihr Emissionsverhalten dem von Metalloxiden, wodurch Messfehler aufgrund von Emissionsgradschwankungen reduziert werden.

Dabei muss jedoch die Wechselwirkung zwischen Laser und Material berücksichtigt werden, da gemäß dem Kirchhoffschen Strahlungsgesetz die Absorption eines Materials seiner Emissivität entspricht. Da Laser mit deutlich schmaleren Bandbreiten arbeiten als Infrarotkameras, ist der Einsatz eines Notch-Filters erforderlich, um hochenergetisches Laserlicht zu blockieren und Störungen zu vermeiden, die den Sensor beschädigen könnten.

Optris bietet spezialisierte Infrarotkameras und Pyrometer an, die speziell für Laseranwendungen entwickelt wurden. Diese lassen sich nahtlos in Lasersinteranlagen integrieren und ermöglichen präzise Echtzeitmessungen während des Prozesses.