Rapid Prototyping
Abb. 1: Funktionsprinzip des 3D-Laserstrahl-Auftragschweißens
Fig. 1: Principle of 3-D laser beam cladding
Die schnelle Herstellung von Prototypen ist bedeutsam, um den Entwicklungsprozess von neuen Produkten zu beschleunigen. Die hierfür eingesetzten Techniken werden unter dem Oberbegriff Rapid Prototyping zusammengefasst. Die Entwicklung von Maschinen zur schnellen Prototypenherstellung wird weltweit vorangetrieben. Das LZH beteiligt sich an diesem internationalen Wettbewerb bereits seit über 10 Jahren. Der Schwerpunkt der Entwicklungen am LZH liegt vorwiegend in den Bereichen, in denen besonderer Wert auf die Präzision von Funktionsprototypen gelegt wird.
Abb. 2: Prozess des 3D-Laserstrahl-Auftragschweißens
Fig. 2: 3-D laser beam cladding process
Im Bereich des formgebenden Auftragschweißens, das auch als 3D-Laserstrahl-Auftragschweißen bekannt ist, liegt der Entwicklungsschwerpunkt des LZH auf Präzisionsbauteilen und deren Optimierung, um möglichst präzise Schweißnähte, die nicht oder nur gering nachgearbeitet werden müssen, zu erzeugen. Abbildung 1 stellt das Funktionsprinzip des Auftragschweißens dar. Dabei wird der das Werkstück überstreichende Laserstrahl genutzt, um Werkstoff aufzuschmelzen. Die zügige Bewegung des Lasers führt zu einer schnellen Abkühlung der Schmelze, welche anschließend in der Regel eine besonders feinkörnige metallische Struktur aufweist.
Abbildung 3 stellt Demonstratoren dar, die mittels des formgebenden Auftragschweißens hergestellt wurden. Diese Formkörper belegen die großen Freiheitsgrade des Verfahrens, beliebige 3D-Strukturen durch Auftragschweißen zu erzeugen.
Die Vielfalt der metallischen Werkstoffe, welche durch das formgebende Auftragschweißen verarbeitet werden können, ist äußerst umfangreich. Titan-, Eisen-, Nickel-, Kobalt- und Aluminiumbasiswerkstoffe wurden bereits am LZH eingesetzt. Die maximale Größe der Bauteile ist theoretisch nur durch die Verfahrwege des entsprechenden CNC-Systems begrenzt. Die kleinsten Strukturbreiten, die mittels 3D-Auftragschweißen am LZH bisher unter Verwendung von Standardkomponenten realisiert wurden, liegen unter 500 µm. Breitere Strukturen können problemlos erzeugt werden.
Zur Realisierung noch kleinerer Strukturbreiten werden am LZH das Mikro-Laserstrahlsintern und die Stereo-Lithographie eingesetzt. Hierzu wurden und werden Maschinenkonzepte am LZH entwickelt, die Strukturgrößen im Mikrometermaßstab erlauben.
Mit Hilfe dieser Technologien können leicht und schnell Mikrobauteile aus Kunststoff bzw. Metallen mit Strukturbreiten unterhalb von 50 µm erzeugt werden.
