Mikrobauteile durch Lasersintern im Vakuum

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1 Mikrobauteile durch Lasersintern im Vakuum P. Regenfuß*, R. Ebert*, S. Klötzer*, L. Hartwig*, H. Exner*, T. Petsch** * ) Laserinstitut Mittelsachsen e.v. Hochschule Mittweida, Technikumplatz 17, D Mittweida, exner@htwm.de ** ) 3D - Micromac AG, Max-Planck-Str.22b, D Chemnitz, info@3d-micromac.com Stichwörter: Freiform, Mikrosintern, Mikrostrukturen, Nanopulver, Rapid Tooling, Selektives Lasersintern, SLS. Kurzfassung: Durch innovative Weiterentwicklungen der Prozessführung und unter erstmaliger Ausnutzung spezieller Lasereffekte konnte die Formauflösung des selektiven Lasersinterns von gegenwärtig > 150µm auf <30µm verbessert werden. Aus sub-µm-körnigen Metallpulvern wurden mit dieser Methode Präzisionsteile mit Aspektverhältnissen >12 und Oberflächenrauheiten R a bis 1,5 µm hergestellt. Eine angepasste Rakelmethode erlaubt den Auftrag glatter Pulverschichten. Das Material wird mit gütegeschalteten Laserpulsen bearbeitet. Der Prozess findet unter Vakuum oder reduziertem Schutzgasdruck statt. Mit diesem Verfahren können sowohl Pulver refraktärer Metalle als auch niedriger schmelzender wie Kupfer und Aluminium gesintert werden. Die Präzisionsteile können entweder fest mit dem Substrat verbunden oder über eine Sollbruchstelle abgetrennt werden. Hinterschneidungen sind mit Stützkörpern bis zu einem Winkel von 90 realisierbar. Ohne Stützkörper wird ein parameterbedingter maximaler Hinterschneidungswinkel < 90 erreicht. 1. Einleitung: Selektives Lasersintern (SLS) wird häufig als Rapid Prototyping und Rapid Tooling Verfahren angewandt und wurde in der Vergangenheit vorzugsweise zur Herstellung von makroskopischen Strukturen eingesetzt. In jeder von sukzessiv aufgetragenen Pulverschichten wird vor dem Auftrag der nächsten mit einem geführten Laserstrahl der Querschnitt des zu generierenden Körpers gesintert. Handelsübliche Anlagen mit Strahltaillen zwischen 40 µm und 500 µm sind auf Auflösungen oberhalb 150µm limitiert. Die Bemühungen zur Verbesserung der Strukturauflösung halten daher immer noch an und zielen auf den Bereich von 20 µm und darunter. Dieser Bereich liegt unterhalb der Auflösung von klassischen spanabhebenden oder fräsenden Verfahren. Verglichen mit höher auflösenden Techniken verfügt das SLS-Verfahren immer noch über den Vorteile relativ niedriger Produktionskosten und kurzer Gesamtproduktionszeiten für Individualanfertigungen oder kleine Stückzahlen. Gesinterte Mikrostrukturen mit prismatischer oder pyramidaler Geometrie können z.b. als Erosionselektroden, als Werkzeuge zum direkten Formen von plastischen Materialien oder als Formen für den Spritzguss Anwendung finden. Darüber hinaus ist SLS ein Freiformwerkzeug d.h. die Geometrien der Bauteile sind werkzeugunabhängig, Hinterschneidungen und Hohlräume können realisiert werden, wodurch der Bau von Miniaturwerkzeugen mit innenliegenden Leitungen für Fluide (Gase oder Flüssigkeiten) möglich wird. Das Mikrosintern ist außerdem als Serienproduktionstechnologie für Mikroteile geeignet, da z.b. in einem Bauraum mit einem Volumen von 1 cm 3 ca Teile mit Abmessungen von 500x500x500 µm 3 generiert werden können. Bei einer Gesamtbauzeit von 20 Stunden wären das nur 15s pro Bauteil! Da SLS ein schichtweises Generierungsverfahren ist, setzt die Verbesserung der Auflösung dünnere Pulverschichten und feineres Pulver voraus. Bekanntlicherweise ist die Erfüllung dieser Voraussetzung nicht trivial, da Feststoffe umso reaktiver werden, je größer ihre massenspezifische Oberfläche wird. Des Weiteren ist die Schüttdichte feinkörniger Pulver in der Regel sehr gering. Eines der wichtigen technischen Probleme beim selektiven Lasersintern ist das Aufziehen einer glatten, dünnen und dennoch hinreichend dichten Schicht aus feinkörni-

2 2 gem Pulver. Das Problem kann partiell durch spezielle Effekte der Rakelform und strategie gelöst werden, eine weitere Verdichtung muss dann beim Sintern erfolgen. Am Laser Institut Mittelsachsen e.v. an der Hochschule Mittweida wurde im Rahmen des Verbundprojekts Vakuum-SLS ein SLS-Mikrosinter-Verfahren entwickelt /1-4/, womit gegenwärtig Mikropräzisionsteile mit einer strukturellen Auflösung von weniger als 30 µm und einer minimalen Rauheit R a von 1,5 µm gebaut werden können. 2. Anlage und Verfahren 2.1 Prinzip der Anlage Die Anlage (Abb. 1) besteht aus der hochvakuumdichten Sinterkammer/5/ die mit einer Turbomolekularpumpe verbunden ist, womit die Kammer auf Drücke bis 10-3 Pa evakuiert werden kann. Durch ein Einkoppelfenstern, das für die verwendete Laserwellenlängetransparent ist, wird mit einem Scanner der Laserstrahl über die Pulverschichten in der Kammer geführt. Die Kammer besitzt Ventile für unterschiedliche Schutz- oder Prozessgase, Anschlüsse für Druckmessgeräte und Durchführungen für die Stromversorgung der Positionier- und Sinterplattform sowie für die Kabel der Steuerung. Abb. 1: Schema der Sinteranlage Die Positionier- und Sinterplattform ist mit drei Antrieben für jeweils die Probenachse ( aaxis ), die Pulverachse ( b-axis ) und die Rakel ( blade ) ausgestattet. Die Rakel wird vor jeder Fahrt durch die Pulverachse befüllt. Die Kolben der Proben- und Pulverachsen sind gegen die Zylinderbohrungen abgedichtet, wodurch die Anlage auch zum Sintern von Schlickern und Pasten geeignet ist. Für eine weitere korrosionsbeständige Pumpe ist ein Anschluss vorhanden sowie die entsprechende Ausrüstung, um Reaktionsgase bei kontrolliertem Drücken von =1Pa durch die Sinterkammer zu spülen, wodurch die Option zu einem zusätzlichen CVD ( chemical vapor deposition )-Prozess gegeben ist. 2.2 Materialien Die in Tab. 1 aufgezählten Metallpulver wurden zum Mikrosintern benutzt. Eine Beschränkung des Verfahrens auf bestimmte Materialien wurde nicht festgestellt. Metallmischungen aus Wolfram bzw. Molybdän mit jeweils Aluminium, Kupfer oder Silber wurden ebenfalls erfolgreich bearbeitet. Mit Metallmischungen wurden höhere Sinterdichten erzielt als mit Einkomponentenpulvern (Beispiele in Abb. 2). Proben, die an der Luft bearbeitet wurden, zeigten mehr oder weniger starke Oxidationserscheinungen. Tab. 1: Zum Mikrosintern eingesetzte Metallpulver und deren Korngröße Metall Wolfram Aluminium Kupfer Silber Molybdän Stahl Gold Titan Korngröße 300 nm -10 µm 3 µm 1-10 µm 2 µm 7µm 20 µm 1 µm 20 µm

3 3 Sinterversuche an oxidischem und nichtoxidischem Keramikmaterial werden zur Zeit durchgeführt und werden Gegenstand künftiger Veröffentlichungen sein. Abb. 2: Metalle mit unterschiedlicher Sinterdichte. Maximale Sinterdichte von reinem W: 75%. 2.3 Das Mikrosinter-Verfahren Einstellen der Prozessatmosphäre: Zur Erzeugung der Prozessatmosphäre wird die Kammer auf 10-3 Pa evakuiert und je nach Zustand des Pulvermaterials zur Desorption von Adsorbaten zumeist Wasser eine angemessene Zeit bei diesem Druck gehalten. Werden die Kammer und Pulver ständig eingesetzt kann diese Haltezeit erheblich reduziert werden. Anschließend wird die mit dem Prozessgas meist mit einem spezifischen Unterdruck - beaufschlagt. In der Regel hält die Kammer während des gesamten Sinterprozesses ausreichend dicht, selbst wenn deren Dauer 24 Stunden und mehr beträgt. Pulverschichtauftrag: Abb. 3: Verbesserter Schichtauftrag durch ringförmige Rakel Abb. 4: Zwei separat geführte kombinierte Ringrakel Wie eingangs erwähnt, nimmt der Rakelaufwand für Pulverschichten mit sinkender Korngröße zu. Wegen der geringen Masse der einzelnen Körner, die mit der dritten Potenz des Radius abnimmt, sedimentieren diese nicht mehr wie grobkörniges Schüttgut, sondern werden zunehmend durch Kräfte beeinflusst, die sich proportional zu Oberfläche verhalten. Die Pulver schließen sich gewöhnlicherweise zu Agglomeraten zusammen, die bei unsachgemäßem Rakeln zu noch gröberen Ballen gerollt werden. Im Verlaufe der Entwicklung wurde daher der Rakelklinge eine ringförmige Form (Abb. 3) gegeben, wodurch unter Einhaltung einer speziellen Rakelfahrt die Qualität der Pulverschicht merklich zunahm; zudem gehen nur noch unerhebliche Materialmengen beim Schichtauftrag verloren. Eine Vielfalt neuer Möglichkeiten der Materialzusammensetzung als auch der Erzeugung hochwertiger Pulverschichten eröffnet die neueste Ausführung der Prozessanlage (Abb. 4), in

4 4 der unter anderem zwei Ringrakel aus separaten Pulverzylindern befüllt und in beliebiger Reihenfolge über die Probe geführt werden können. die Konstruktion der Maschine erlaubt die Nachrüstung mit zusätzlichen Rakeln. Der Mikrosinter-Prozess In den sukzessiv aufgetragenen Pulverschichten werden jeweils durch selektives Sintern mit gütegeschalteten Pulsen die Querschnitte der Präzisionsbauteile generiert. Die Strategie der Pulsverteilung wird von der Geometrie der Querschnitte mitbestimmt und ist so angelegt, dass Verspannungen innerhalb der Sinterschicht vermieden werden. Das Verfahren lässt allerdings noch Spielraum offen für die Variation des Sintergefüges innerhalb eines Bauteils, so können unterschiedliche Sinterdichten und Rauheiten erzeugt werden und innerhalb des gesinterten Körpers Materialeigenschaftsgradienten und damit Gerüststrukturen von festem Sintermaterial in weniger festem Material generiert werden. Eine einfache aber sehr wichtige Anwendung solcher Gradienten ist die Erzeugung von Sollbruchstellen zwischen Substrat und Bauteil oder innerhalb eines Bauteils von dem ein Teil z.b. die Funktion eines Aufbausockels besitzt. Die Abb. 5 zeigt im linken Bild den Querschliff durch einen Wolframkörper, der fest mit dem Substrat verankert ist. Im rechten Bild ist die Sollbruchstelle zwischen einem Wolframbauteil und Abb 5: links: Bauteil, auf dem Stahlsubstrat verankert; rechts. Sollbruchstelle zwischen Sockel und Bauteil seinem Aufbausockel zu sehen. Die Grenzflächen zwischen Bauteil und Substrat/Sockel sind durch unterbrochene Linien gekennzeichnet. Die Sollbruchstellen sind mürbe genug, um eine zerstörungsfreie Ablösung des Bauteils zu erlauben und fest genug, um das Bauteil während des Generierens zu fixieren. Aufgrund der Möglichkeit, die gesinterten Materialkonsistenz gezielt zu variieren, können in gestützter Bauweise Hinterschneidungswinkel bis 90 realisiert werden (Abb. 6), d.h. in der Abb.6: Unbegrenzter Hinterschneidungswinkel in gestützter Bauweise Abb. 7: In freier Bauweise wird ein maximaler Hinterschneidungswinkel erreicht. Umgebung des Bauteils wird das Pulver zu einem mürben Sintergefüge - ähnlich dem in den Sollbruchstellen - gesintert und nach Fertigstellung des Bauteils zerstörungsfrei entfernt. In

5 5 freier Bauweise wird ein parameterabhängiger maximaler Hinterschneidungswinkel erreicht (Abb. 7). 3. Resultate - Mikrosinterprodukte Auflösung, Aspektverhältnisse, Oberflächenrauheiten Die Abbildungen 8a-de zeigen eine 400 µm hohe Demonstrations- und Teststruktur. Sie diente als Probe für die Leistungsfähigkeit des Mikrosinter-Verfahrens vor Beginn der Herstellung funktioneller Präzisionsbauteile. Die Detailaufnahme in Abb. 8e zeigt eine Nut mit einer Weite von 40 µm; in der Gesamtansicht in Abb. 8a ist erkennbar, dass im Buchstaben des abgesenkten spiegelsymmetrischen Schriftzugs noch schmalere Spalten realisiert worden sind, woraus ersichtlich ist, dass Aspektverhältnisse von >10 erreicht werden können, was mit konventionellen Methoden nicht mehr möglich ist. Abb. 8a Abb. 8b Abb. 8c Abb. 8d

6 6 Abb. 8e Abb. 9a Abb. 8a-e:REM-Bilder einer Demonstrationsund Teststruktur aus Wolframpulver. Die Aspektverhältnisse überschreiten teilweise den Wert 10. Die Höhe bzw. Tiefe des Körpers beträgt 400µm. Abb. 9b Abb. 9a,b:Beispiel für die Verbesserung der Oberflächenrauheit und der Sinterdichte im Zuge der Weiterentwicklung des Verfahrens. Die Rauheit der Oberflächen in der Größenordnung von 5 µm wurde mittlerweile unterschritten (Abb. 9a,b). Die glattesten Oberflächen von gesinterten Wolframteilen weisen zur Zeit R a - Werte von 1,5µm auf. Funktionsbauteile Nachdem sich das Verfahren als geeignet und zuverlässig erwiesen hatte (s.o.) wurde das erste funktionelle Präzisionsteil gebaut. Seine längste Abmessung betrug 10mm; es war teilweise massiv und enthielt einen Öffnungsschlitz mit einer lichten Weite von 480 µm und einer Länge von 3,75 mm, der durch einen innenliegenden Kanal mit einem kreisförmigen Fenster von 1mm Durchmesser verbunden war. Die in Tabelle 2 aufgelisteten Rauheitswerte wurden uns durch unseren Projektpartner übermittelt, mit deren freundlicher Erlaubnis wir die Ansichten des Bauteils in den Abb. 10a,b präsentieren. Tabelle 2: Oberflächenrauheiten (R a ) Flächentyp horizontale Baufläche vertikale Baufläche Sollbruchfläche R a 5µm 3.5µm 7µm Das Funktionsteil wurde aus Wolfram gesintert und sollte nach der Fertigung ohne Beschädigung vom Substrat abgetrennt werden können. Nach Aussagen der Partner gelang dies problemlos mit einer verbleibenden Rauheit der Sollbruchfläche von 7 µm. Die Begriffe

7 7 horizontale und vertikale Baufläche beziehen sich auf die Lagen der Flächen während des Prozesses (siehe Abb. 10 a). Abb. 10a Abb. 10a Abb. 10: a) Funktionsteil aus Wolfram nach Fertigstellung, vor der Abtrennung vom Substrat. b) nach der Abtrennung vom Substrat. Höhere Ansprüche an die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens und die Forderungen nach speziellen Materialeigenschaften sind die Gründe für die ständige Erprobung weiterer Werkstoffe für das Mikrosinter-Verfahren. Die im folgenden gezeigten Produkte wurden aus Zweikomponentenpulvern gefertigt: Die Bauteile in Abb. 11 sind 500 µm dicke gesinterte Platten. Sie enthalten Schlitze und Löcher der Größen µm Abb. 11a Abb. 11b Abb. 11: Schlitzbreiten µm und Lochdurchmesser µm aus Zweikomponentenpulvern Das zylindrische Bauteil (Abb. 12a,b) ist bis zur Höhe seiner Verjüngung hohl. Der Hohlraum wird durch den halbzylindrischen Teil in Form von drei Kanälen weitergeführt.

8 8 Abb. 12a Abb. 12b Abb. 12: Funktionsteil mit Hohlraum (nicht sichtbar) und drei innenliegenden Kanälen Abb. 13 zeigt ein kastenförmiges Detail eines flachen Werkzeugs, dessen Wandstärke 20 µm beträgt.die Korrosionsbeständigkeit der gesinterten Werkstoffgefüge weicht zuweilen von der des massiven Materials ab. In dem Arrangement der Mikrogesinterten Bauteile in Abb. 14, dem zum Größenvergleich ein Streichholz beigefügt wurde, sind deshalb auf einigen Teilen Anlaufflecken nach der Exposition gegen schwache Säuren und Laugen zu erkennen. Abb. 13 Abb. 13: Funktionsbauteile mit versteckten Kanälen und Wandstärken von 20µm Abb. 14 Abb. 14: Funktionsbauteile mit versteckten Kanälen und Wandstärken von 20µm Die Ästhetik des Vakuum-Lasersinterns bringt die durchbrochene Halbkugel (Abb. 15) zum Ausdruck.

9 9 Abb. 15: Durchbrochene Halbkugelschale 4. Zusammenfassung und Ausblick Sintern von Präzisionsbauteilen mit dem Mikrosinter-Verfahren ist mit einer Vielzahl von Metallen, Legierungen und Metallmischungen möglich. Die Strukturauflösung erreicht 20 µm, die Aspektverhältnisse übersteigen den Wert 10 und Rauheitswerte R a von 1,5 µm sind realisierbar. In anderen Arbeiten über den Einsatz gepulster Laserstrahlung zum SLS wurde dieser Standard nicht erreicht /7,8,9/. Das Verfahren steht am Beginn seiner Implementierung in die industrielle Präzisionsfertigung. Es kann von einer ständig wachsenden Zahl von Einsatzmöglichkeiten ausgegangen werden, wobei das Spektrum der zukünftigen Anwendungen in seiner Breite noch nicht abzusehen ist. Die Erschließung neuer Materialien richtet sich mittelfristig auf die Gruppe der Keramikwerkstoffe und Keramik-Metall-Komposite. Mit den Möglichkeiten des letzten Entwicklungsstands der Anlage und unter Ausnutzung der besonderen Effekte des Laserregimes werden künftig spezielle Eigenschaften des Bauteilgefüges durch Material- und Strukturgradienten erzeugt. Die Weiterentwicklung der Anlage beinhaltet die stufenweise Automatisierung des Verfahrens mit allen nötigen Überwachungs- und Kontrollfunktionen. Endziel für die industrielle Verwertung ist die Integration des automatisch kontrollierten und gesteuerten Generierungsprozesses in eine Produktionskette, die mit der Eingabe des Bedarfs in unterschiedlichen Stadien der Konkretisierung beginnt und mit der Endkontrolle des Produkts abschließt. Eine der Stärken einer derartigen Fertigungskette ist die Flexibilität der Produktion bezüglich kurzfristiger Variation der Bauteilgeometrie.

10 10 Danksagung Die vorgestellten Ergebnisse wurden dankenswerterweise durch das Deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung ermöglicht und gefördert im Rahmen des Verbundprojekts #02P1110 Vakuum-SLS. Unser besonderer Dank gilt dem Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe, Außenstelle Dresden, für die kooperative Projektabwicklung und Unterstützung bei Problemen. Wir danken ebenfalls allen Projektpartnern IVS SOLUTIONS AG (Chemnitz), MiLaSys Technologies GmbH (Stuttgart), EGT GmbH (Mittweida), Portec GmbH (Zell-Mehlis) und den Fraunhofer Instituten IWU Chemnitz, IKTS Dresden und IFAM Bremen für die fruchtbare Zusammenarbeit. Literatur /1/ P. Regenfuss, L. Hartwig, S. Klötzer, R. Ebert, H. Exner: Microparts by a Novel Modification of Selective Laser Sintering. Rapid Prototyping and Manufacturing Conference, May 12 15, 2003, Chicago (IL), published on CD. /2/ R. Ebert, P. Regenfuss, L. Hartwig, S. Klötzer, H. Exner: Process Assembly for µm-scale SLS, Reaction Sintering, and CVD. LPM 2003, 4th International Symposium on Laser Precision Microfabrication, June 21-24, 2003, Munich. /3/ H. Exner, P. Regenfuss, L. Hartwig, S. Klötzer, R. Ebert: Selective Laser Micro Sintering with a Novel Process. LPM 2003, 4th International Symposium on Laser Precision Microfabrication, June 21-24, 2003, Munich. /4/ H. Exner, P. Regenfuss, L. Hartwig, S. Klötzer, R. Ebert Microsintering of Miniature and Precise Components and Tools. Proc. of the Euro-uRapid, Frankfurt/Main, Dec. 1-2, /5/ R. Ebert, H. Exner: Vorrichtung und Verwendung von Vakuum und/oder einer zusätzlichen Wärmequelle zur direkten Herstellung von Körpern im Schichtaufbau aus pulverförmigen Stoffen. Patent Pending, reference number , date of application /7/ Y. P. Kathuria: Microstructuring by selective laser sintering of metallic powder. Surface and Coatings Technology, (1999), pp /8/ P. Fischer, H. Leber, V. Romano, H. P. Weber, N. P. Karpatis, C. André, R. Glardon: Microstructure of near-infrared pulsed laser sintered titanium samples. Appl. Phys. A (2003), published online /9/ Jimin Chen, Xubao Wang, Tiechuan Zuo: The micro fabrication using selective laser sintering micron metal powder. Proc. of SPIE Vol (2003), pp