Fraunhofer ILT onderzoekt beam shaping voor AM-systemen
Fraunhofer ILT ontwikkelt een platform om met beam shaping het profiel van de laserstraal van een LPBF AM-systeem tijdens het 3D printen aan te passen. Door het bundelprofiel van de laserstraal on the fly aan te passen, kan efficiencywinst geboekt worden tijdens 3D metaalprinten. Het onderzoeksinstituut uit Aken toont het testsysteem tijdens Formnext 2024.
Beam shaping is een technologie die sinds kort beschikbaar is in lasersnijmachines. De vorm van de straal kan aangepast worden om een nadeel van de standaard Gaussische laserstraal zoals deze in laserpoederbed systemen wordt gebruikt, op te heffen. Dit nadeel is dat de hoogste energie in het midden van de bundel zit. Dat leidt tot lokale oververhitting en ongewenste materiaalverdamping en procesinstabiliteit. Hierdoor ontstaan spatten tijdens het proces en kunnen in het werkstuk poriën ontstaan. Dit is een van de redenen waarom het beschikbare vermogen vaak niet maximaal benut kan worden.
Veranderen van straalprofiel maakt wellicht inzet van sterkerere laserbronnen in LPBF-systemen mogelijk
Alternatief voor multi-lasers
De oplossing die veel fabrikanten van AM-systemen kiezen is het integreren van meerdere laserbronnen (meestal van 1 kW) in de machine. Dat kost enerzijds veel geld, anderzijds maakt het de systemen complexer en kunnen de laserbronnen niet altijd homogeen worden gebruikt. Omdat enkele onderzoeken uitwezen dat zelfs een eenvoudige vormverandering of de combinatie van twee Gaussische distributiepatronen al een positief effect hebben op de kwaliteit en de snelheid, zijn onderzoekers van het Fraunhofer ILT een onderzoek gestart. Ze willen fundamenteler onderzoek doen naar de samenhang van de straalvorm en onderliggende processen. Hiervoor hebben ze de testopstelling gebouwd. “De interactie tussen laserstraal en materiaal in het proces is zo complex vanwege de dynamiek dat simulaties alleen indicaties kunnen geven van het werkelijke smeltbadgedrag,” legt Mrvin Kippels (PhD student bij Fraunhofer ILT) uit. Hij bouwt een nieuw type systeem dat LCoS-SLM’s (Liquid Crystal on Silicon – Spatial Light Modulator) gebruikt, waardoor onderzoekers bijna elk bundelprofiel in het LPBF-proces kunnen onderzoeken.
Laservermogen tot 2 kW
Het testsysteem zoals dat in Frankfurt wordt getoond beschikt over een laser tot 2 kW vermogen. Op hoog vermogensniveaus kan men de straalvorm veranderen, afhankelijk van wat men nodig heeft in een specifieke toepassing van additive manufacturing. “We kunnen het LPBF-proces gericht optimaliseren”, legt Marvin Kippels uit. Hij doelt specifiek op minder materiaalverdamping, minder spatvorming, minder smeltbaddynamiek, een gladder smeltbaanoppervlak en een hogere procesefficiëntie door de smeltbaangeometrie aan te passen. Volgens hem vraagt elke applicatie om een eigen straalprofiel om het AM-proces te optimaliseren.
Samen met de industrie onderzoek doen
Het testsysteem is straks beschikbaar voor bedrijven die samen met Fraunhofer ILT de mogelijkheden van beam shaping in additive manufacturing willen onderzoeken. Marvin Kippels zegt dat het onderzoek nog aan het begin staat, maar dat ze nu al een enorm potentieel zien voor het LPBF AM-proces.
