Verfahren und Maschine zur Individualisierten Produktion mit High Power Selective Laser Melting

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1 Verfahren und Maschine zur Individualisierten Produktion mit High Power Selective Laser Melting Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Diplom-Ingenieur Diplom-Wirtschaftsingenieur Johannes Henrich Schleifenbaum aus Siegen Berichter: Prof. Dr. rer. nat. Reinhart Poprawe M.A. Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Günther Schuh Tag der mündlichen Prüfung: 11. Juli 2011

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3 WICHTIG: D 82 überprüfen!!! Berichte aus der Lasertechnik Johannes Henrich Schleifenbaum Verfahren und Maschine zur Individualisierten Produktion mit High Power Selective Laser Melting Shaker Verlag Aachen 2012

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2011) Copyright Shaker Verlag 2012 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN X Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Meinem Vater in Gedenken meiner Mutter in Dankbarkeit gewidmet

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7 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand neben meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen. An dieser Stelle möchte ich mich bei allen bedanken, die zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben. Herrn Prof. Dr. rer. nat. Reinhart Poprawe M.A. danke ich für die Überlassung des Themas und die Betreuung der Arbeit, Herrn Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Günther Schuh für die Übernahme des Korreferates sowie Herrn Prof. Dr.-Ing. Edmund Haberstroh für die Übernahme des Prüfungsvorsitzes. Insbesondere danke ich meinem Abteilungsleiter Dr. Konrad Wissenbach für den gewährten Freiraum zur Durchführung dieser Arbeit, für seine stete Unterstützung und Diskussionsbereitschaft in allen wissenschaftlichen Fragestellungen bei der Erstellung der Dissertationsarbeit und darüber hinaus. Gleiches gilt für meinen Gruppenleiter Dr. Wilhelm Meiners, der mit seinem breiten Erfahrungsschatz und seiner analytischen Vorgehensweise wesentlich zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen hat. Von den Kolleginnen und Kollegen am ILT möchte ich besonders meine Büronachbarn Damien Buchbinder und André Temmler erwähnen. Sowohl die fachlichen als auch nicht-fachlichen Diskussionen haben es mir ermöglicht, den zur Reflektion notwendigen Abstand zu gewinnen und so der Arbeit Kontur uns Schärfe verliehen. Den übrigen Kolleginnen und Kollegen möchte ich für die schöne Zeit am Institut danken. Ein besonderer Dank geht an meine Hiwis, Studien- und Diplomarbeiter, ohne deren Einsatz die Bearbeitung der zahlreichen Industrie- und Forschungsprojekte sowie das Gelingen meines Dissertationsvorhabens nicht in dieser Qualität möglich gewesen wäre. Stellvertretend nennen möchte ich an dieser Stelle Manuel Soire, Justus Israel, Jens Theis, Sebastian Heidrich, Philipp Lott, Friedrich Fricke, Ferdi Kiemann, Simon Merkt und Felix Hahne, vielen Dank für Euren Einsatz! Daneben möchte ich mich bei Klaus Müller-Lohmeier von der Festo GmbH & Co. KG sowie bei Todd Rockstroh und Dave Abott von General Electric Aviation bedanken, die mich durch die Bereitstellung von Demonstratorbauteilen und zahlreichen Hintergrundinformationen unterstützt haben. Für die kritische Durchsicht der Arbeit danke ich Phillip Utsch, Sebastian Bremen, Johannes Schrage und Anne-Carina Thelen. Meinen Freunden und Aachener Studienkollegen danke ich dafür, dass Sie mir geholfen haben, das Wesentliche nicht aus den Augen zu verlieren. Meinen Eltern danke ich von ganzem Herzen für die Unterstützung, das Vertrauen und den Freiraum, den Sie mir gewährt haben. Sie haben unermüdlich in mein Wissen und meine Ausbildung investiert und so meinen Werdegang ermöglicht. Ihnen widme ich diese Arbeit.

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9 Inhalt Inhalt 1 Einleitung 1 2 Stand der Technik und Forschung Rapid Manufacturing (RM) in der individualisierten Produktion Generative Verfahren des Rapid Manufacturing Verfahrensprinzip des Selective Laser Melting (SLM) Werkstoffe und Entwicklungstrends Kommerziell verfügbare SLM-Maschinensysteme Konventionelle Verfahren des Rapid Manufacturing Spanende Verfahren High Speed Cutting (HSC) Electro Discharge Machining (EDM) Urformende Verfahren Gießen Metal Injection Moulding (MIM) Vergleich der Leistungsprofile konventioneller und generativer RM-Verfahren 16 3 Handlungsbedarf, Zielsetzung und Vorgehensweise 18 4 Voruntersuchung der Einflussgrößen auf die Prozesseffizienz des High Power Selective Laser Melting (HP SLM) Schichtdicke und Scangeschwindigkeit Spurabstand Zwischenfazit 30 5 Entwicklung der Maschinentechnik für die individualisierte Produktion mittels High Power Selective Laser Melting Methodik und Vorgehen Identifikation und Präzisierung der Aufgabenstellung Aufstellung der Anforderungsliste Auslegung des Energiemanagement-Moduls Lasersystem Scannersystem Optisches System zum Ausgleich der Bildfeldwölbung Integration in die bestehende Maschinenstruktur Synthese von Prinziplösungen Bewertung der Prinziplösungen Konstruktive Ausgestaltung Toleranzanalyse 51 Verfahren und Maschine zur Individualisierten Produktion mit High Power Selective Laser Melting i

10 6 Maschinenaufbau und Inbetriebnahme Aufbau Inbetriebnahme 58 7 Versuchsbeschreibung Prozessparameter Probenpräparation und Versuchsauswertung 64 8 Prozessentwicklung High Power Selective Laser Melting Prozessentwicklung Hülle Werkstoffe niedriger Wärmeleitfähigkeit Werkstoffe hoher Wärmeleitfähigkeit Prozessentwicklung Kern Grundlagenuntersuchungen Einzelspuren Einzelschichten Scanvektorlänge Prozessführung zum Aufbau mehrschichtiger Körper Laserleistung und Scangeschwindigkeit Spurabstand Schichtdicke Prozessentwicklung Hülle-Kern Interface Einfache Probengeometrien Seitliche Anbindung Boden- und Deckflächenanbindung Komplexe Bauteilgeometrien Neigungswinkel Krümmungsradien Reduktion der Hüllbreite Untersuchung und Bewertung der Bauteileigenschaften Gefüge und Härte Mechanischen Eigenschaften Prozesseffizienz Technologische Anwendungserprobung Herstellung komplexer Funktionsbauteile Luftfahrt Automatisierungstechnik Werkzeug- und Formenbau Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis 165 ii Verfahren und Maschine zur Individualisierten Produktion mit High Power Selective Laser Melting

11 Inhalt 14 Abkürzungen und Formelzeichen Anhang Kommerzielle SLM-Maschinen Modelltheoretische Betrachtungen Spezifikation verschiedener Optikkomponenten Vollständige Anforderungsliste Prinziplösungen Bestimmung der theoretischen Leistungsdichteverteilung Bestimmung der maximalen Scangeschwindigkeit Nutzwertanalyse Paarweiser Vergleich Vollständige Nutzwertanalyse des Energiemanagement- Moduls Ray Tracing Toleranzanalyse Schutzgasführung Wärmebehandlung 192 Verfahren und Maschine zur Individualisierten Produktion mit High Power Selective Laser Melting iii