LSD Freistrahl-Bindemittelauftrag

LSD Freistrahl-Bindemittelauftrag

Quelle: TU Clausthal

Selektives Lasersintern (SLS):

Beim SLS Prozess wird das Pulverbett mittels eines Laserstrahls lokal erwärmt. Hierbei kann die vom Laser in das Pulverbett eingebrachte  Energie je nach physikalischen und thermischen Eigenschaften des zu sinternden Werkstoffs sehr unterschiedliche Wechselwirkungen mit dem Pulver zeigen. Des Weiteren sind die Eigenschaften des Laserlichts, wie Wellenlänge und Intensität, von entscheidender Bedeutung. Die vom Pulver absorbierte Energie kann entsprechend der Wärmeleitfähigkeit des Pulvers in die Probe eindringen oder an der Oberfläche des Pulverbetts durch Strahlung und Konvektion verloren gehen, was zu unterschiedlichen Sintertiefen führt. In der folgenden Abbildung ist illustriert, wie die Laserstrahlung mit einem Pulverbett wechselwirkt. Wesentlich ist hierbei zu beachten, dass die Energie des Laserlichts an der Oberfläche des Pulverbetts in Wärmeenergie umgesetzt wird und locker gepackte Pulver eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Dies steht einer schnellen Temperaturerhöhung in tieferen Lagen des Pulverbetts entgegen. Typisch wird die Oberfläche des Pulverbetts überhitzt und die Sinterung der Pulverpartikel durch die aufgetragene Schicht hindurch ist unvollständig.

Abbildung 1: Laserstrahl in Wechselwirkung mit einem Pulverbett keramischer Partikel.

Das gesinterte Pulvervolumen wird von der Temperatur im Brennfleck des Lasers und dem Temperaturverlauf über der Zeit bestimmt. In jedem Fall wird durch den Laser jedoch nur ein kleiner Volumenbereich des Pulvers auf die Sintertemperatur erwärmt, was zu hohen Temperaturgradienten in der bestrahlten Probe führt. Dies erklärt, warum das Selektive Lasersintern bisher nur in wenigen Fällen zur Verarbeitung von reinen keramischen Pulvern eingesetzt wurde. Obwohl der SLS Prozess eine leistungsfähige Technik zum Aufbau von Prototypen aus metallischen und organischen Pulvern ist, sind Versuche zum Aufbau dicht gesinterter keramischer Prototypen bisher wenig erfolgreich gewesen. Die aufgebauten Teile zeigen eine hohe Porosität und makroskopische Defekte, wie Poren und Risse. Derartige Defekte sind auch durch ein zusätzliches konventionelles Sintern nicht ausheilbar. Die hohe Porosität resultiert im Wesentlichen aus der lockeren Struktur des Pulverbettes. Aufgrund der thermophysikalischen Eigenschaften keramischer Pulver ist eine Verdichtung der einzelnen Schichten im SLS Prozess kaum möglich. Berücksichtigt man die kurzen Wechselwirkungszeiten zwischen dem Laser und einem bestimmten Punkt im Pulverbett, die im Bereich von einigen µs liegen, so erscheint eine Verdichtung mittels Lasersinterung unrealistisch. Im Falle von keramischen Materialien mit einem definierten Schmelzpunkt, wie Al₂O₃ (>2000°C) and SiO₂ (>1700°C), ist eine effektive Verdichtung vergleichbar zu metallischen oder organischen Pulvern denkbar. Hilfreich ist in jedem Falle ein Pulverbett mit hoher Packungsdichte feiner Partikel. Hierfür wird die Lagenweise Schlickerdeposition (LSD) eingesetzt.

Bei den pulverbasierten Prozessen kann das Bauteil einfach aus dem Pulverbett entnommen werden. Dies ist beim schlickerbasierten Prozess anders. Nachdem alle Schichten aufgebracht wurden, die für die Fertigung der definierten Geometrie erforderlich sind, ist das lasergesinterte oder gedruckte Bauteil vom Pulverbett umschlossen [1, 2]. Dieses ist jedoch nun ein Block aus kompakt gepackten Partikeln mit einer Festigkeit vergleichbar zu einem konventionellen Grünkörper. Um das Bauteil daraus entnehmen zu können, muss der Pulverpresskörper durch ein Lösungsmittel aufgelöst werden. Bei der Verwendung von wasserbasierten Schlickern zur Schichtaufbringung kann Wasser als Lösungsmittel für das Pulverbett eingesetzt werden. In der folgenden Abbildung ist gezeigt, wie zwei mittels LSD Prozess in Kombination mit Selektivem Lasersintern von Porzellan hergestellte Espressotassen herausgelöst werden.Abbildung 2: Espressotassen hergestellt mittels Lagenweiser Schlickerdeposition (LSD) in Kombination mit Selektivem Lasersintern von Porzellan (Duravit): herausgelöste Tasse, nach Schrühbrand und nach Glasur und Glattbrand.  

Werkstoffe

Mit folgenden Werkstoffen wurden Bauteile aufgebaut:

Feinfeuerton

VC / Porzellan

SiC

Literaturstellen

• ¹ T. Mühler, C. Gomes, ME Ascheri, D. Nicolaides, J.G. Heinrich, J. Günster, "Slurry-Based Powder Beds for the Selective Laser Sintering of Silicate Ceramics", J. of Ceramic Science and Technology 6 [2] 113-117 (2015).
• ² Thomas Muehler, Juergen Heinrich, Cynthia M. Gomes and Jens Günster, "Slurry-based Additive Manufacturing of Ceramics", Int. J. Appl. Ceram. Technol., 12 [1] 18-25 (2015).