Überwachung im Prozess

Anwendungen in den Branchen Medizin und Luftfahrt erfordern ein extrem hohes Maß an Qualitätskontrolle und Prozessüberwachung unter dem Schlagwort Null-Fehler-Qualität. Concept Laser entwickelte daher ein völlig neuartiges QM-System zur Echtzeitüberwachung des LaserCusing – auch bekannt unter dem Begriff Selective Laser Melting (SLM). Dazu wurden alle bisher eingesetzten Überwachungssysteme benutzerfreundlich gebündelt und zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit verbessert.

Kernpunkt der neuen Echtzeitüberwachung des LaserCusing-Prozesses ist ein benutzerfreundliches Auswerten der Prozessdaten, das auf die Dokumentationsanforderungen der Kunden abgestimmt werden kann. Alle bisher eingesetzten Überwachungssysteme wurden gebündelt und verbessert zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit. Pilotpartner ist das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR, in Köln. Die Abteilung ‚Systemhaus Technik’ beim DLR setzt das Verfahren von Concept Laser bereits im Forschungsbereich für Turbinenteile und andere Metallanwendungen im Flugzeugbau ein.

Zum QM-Paket gehört eine Echtzeitüberwachung des Schmelzpools, die den Bauprozess auf mikroskopischer Ebene überwacht. Da das LaserCusing ein Mikroschweißverfahren auf kleinem Raum ist (Spurweite rund 100 µm bei einer Schichthöhe von etwa 20 bis 50 µm), ist eine hohe Detailauflösung erforderlich. Die Abmessungen der Schweißraupen sind entsprechend klein. Das Schmelzpool-Modul verfolgt den laufenden Bauprozess mit mehreren Tausend Aufnahmen pro Sekunde und analysiert die relevanten Daten der Schmelzespur in Echtzeit. Diese werden von der Maschinensoftware dokumentiert und ausgewertet.

Zur kontinuierlichen Qualitätssicherung des Pulvers setzt Concept Laser ein Pulver-Modul ein. Das Pulver-Modul ist losgelöst von der Produktionsanlage, das heißt die Siebung des Metallpulvers kann parallel zu einem Bauprozess stattfinden. Zudem ermöglicht es hohe Durchsätze bei feiner Maschenweite des Siebs bis unterhalb von 50 µm. Das Pulver-Modul ist inertisierbar, im Inneren liegt dazu eine Schutzgasatmosphäre unter Ausschluss von Sauerstoff vor. Durch Schutzgase wie Argon wird dabei die konstante chemische Zusammensetzung des Metallpulvers gewährleistet.

Im Prozessgas-Modul findet eine redundante Überwachung und Regelung der Sauerstoffkonzentration des Prozessgases statt. Es umfasst zukünftig auch die Kontrolle des Filterzustandes und die Möglichkeit einer automatischen Abreinigung. Das Temperaturmodul überwacht wichtige, temperaturempfindliche Anlagenkomponenten und informiert über deren Ist-Zustand. Schließlich analysiert das Dokumentationsmodul, als ein Element der LaserCusing-Software, den laufenden Bauprozess und ermöglicht die Berichtserstellung für alle Daten der Echtzeit-QM-Module.

Als wesentliche Kernfunktion der LaserCusing-Anlagen nennt Concept Laser das Belichten einzelner Schichten nach dem ‚Island-Prinzip’. Das Verfahren wurde patentiert und ist einzigartig. Dabei werden, stochastisch ausgewählt, die Segmente einer Schicht (so genannte ‚Islands’) sukzessive abgearbeitet. Diese Strategie garantiert beim Schmelzprozess eine signifikante Reduktion von Spannungen im Bauteil.

Das QM-System der Anlagen von Concept Laser kann unter anderem den Fertigungsprozess mit höchstfeinen Titanpulvervarianten wie CL41 TI überwachen, das die Anforderungen der ASTM-Norm F136 für chirurgische Implantate erfüllt. Auch Werkstoffklassen wie Edelstähle, Kobalt-Chrom-Basislegierungen oder Nickelbasislegierungen werden im LaserCusing-Verfahren eingesetzt. Weitere Legierungen wie zum Beispiel Edelmetalle sind in Entwicklung.

Wie Concept Laser versichert, erweitert das Unternehmen damit die Machbarkeitsgrenzen für Direktbauteile aus Metall und setzt Maßstäbe in Punkto Reproduzierbarkeit und Qualität. Andere Anlagenhersteller dokumentieren den Laserschmelz-Prozess nur auf makroskopischer Ebene, der das komplette Baufeld erfasst. Concept Laser geht hier konsequent den Weg, die Qualität im Prozess während des Spuraufbaus mikroskopisch zu analysieren. Das neue QMS arbeitet zudem in Echtzeit mit Abtastraten im kHz-Bereich. Die feineren Pulverqualitäten erlauben zusätzlich eine signifikante Steigerung der Oberflächengüte. Damit sind äußerst hohe Anforderungen an Qualität und Prozesssicherheit bei der Herstellung von Metallbauteilen mit dem LaserCusing-Verfahren auf dem neuesten Stand der Technik realisierbar.

www.concept-laser.de