Plattformsystem zum pulverbettbasierten Schmelzen von Kunststoffen mittels Laser

Description

Die Forschungsaktivitäten des Professur für Laser-based Additive Manufacturing an der Technischen Universität München reichen von der Materialentwicklung über Automatisierungslösungen bis hin zur Qualitätskontrolle. Dieser umfassende Ansatz hilft, innovative Technologien in das industrielle Umfeld zu integrieren. Um aktuelle Forschungsfragen und Herausforderungen im Bereich des Laser-Sinterns bzw. des pulverbettbasierten Schmelzens von Kunststoffen mittels Laserstrahlung (engl. laser-based powder bed fusion of polymers, kurz: PBF-LB/P) zu adressieren, wird eine modulare und frei parametrisierbare PBF-LB/P-Anlage mit zusätzlichen Features im Optikmodul, in der Prozesskammer und in der Steuereinheit beschafft. Dieses System wird ein besseres Verständnis des Prozesses und die Entwicklung neuer Pulver und Anwendungen für PBF-LB/P ermöglichen, mit der Flexibilität, die Forschung entlang der gesamten PBF-LB/P-Prozesskette voranzutreiben. Diese PBF-LB/P-Plattform wird mit neuen Messmethoden, anpassungsfähigen Kernkomponenten in allen Systemmodulen und der Möglichkeit zur Implementierung neuer softwarebasierter Lösungen ausgestattet sein. Der Kern des Systems wird auf einem Industriestandardsystem basieren, um den Transfer der Forschung in die Industrie zu erleichtern. Lot 1: Es wird ein 3D-Kunststoffdrucker mit dem Funktionsprinzip nach dem PBF-LB/P Verfahren (laser-based powder bed fusion of polymers), auch als Laser-Sintern bekannt, beschafft. Die zu beschaffende PBF-LB/P-Plattform unterscheidet sich signifikant vom marktüblichen Standard und zeichnet sich durch ein modulares Konzept, bestehend aus den Hauptmodulen Optikmodul, Prozesskammer und Steuerungs- und Regelungseinheit, aus, um an multiple Forschungsfragestellungen anpassbar zu sein. Das adaptierbare Optikmodul setzt sich aus einem CO2-Laser und einer dreiachsigen optischen Strahlablenkeinheit zusammen. Damit realisierbare innovative Prozessstrategien verfügen über das Potential zur Prozesszeitreduktion und damit zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des PBF-LB/P Prozesses. Neben gängigen Merkmalen besitzt die Prozesskammer eine Bauraumverkleinerung, ein adaptierbares und mehrstufiges Beschichtungssystem, sowie Möglichkeiten zur Integration von Hochgeschwindigkeits- und Thermographiekameras. Zudem erlaubt die Prozesstemperierung eine Verarbeitung von Kunststoffen mit Schmelzpunkten von bis zu 300 °C. All diese genannten Merkmale sind Grundvoraussetzung für eine effiziente Qualifizierung und demnach Entwicklung neuer Pulvermaterialien, den Aufbau eines vollständig geschlossenen Pulverkreislaufs für einen nachhaltigeren und wirtschaftlicheren Einsatz von Gebrauchtmaterialien und für grundlagenwissenschaftliche Untersuchungen zur Steigerung der Reproduzierbarkeit von Bauteileigenschaften. Die Steuerungs- und Regelungseinheit und die entsprechende Software stehen in engem Zusammenhang mit den beschriebenen Hardwarekomponenten. Da die Plattform Forschungszwecken dient, werden Steuerung und Regelung offen gestaltet. Die Auswertung von Prozessmonitoring Daten während des Bauprozesses erlaubt es, Prozessparameter Schichtweise anzupassen. Dieses Vorgehen eröffnet innovative Perspektiven, neue Kunststoffpulver bereits während des Fertigungsprozesses zu qualifizieren, Bauteilfehler präventiv zu vermeiden und Prognosen über Bauteileigenschaften ohne eine an den Prozess anschließende Materialprüfung abzuleiten. Weiter können sowohl hard- als auch softwareseitig neue Sensoren und Aktoren eingebunden werden. Die Ansteuerung der Strahlquelle sowie der Strahlablenkeinheit ist ebenso offen gestaltet, sodass entsprechende Komponenten herstellerunabhängig adaptierbar sind.