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Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA)

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Laser-Rapid-Prototyping

Selective-Laser-Melting

Zur Herstellung komplexer vakuumtauglicher Kühlkomponenten unterschiedlichster Geometrie wird im ZEA-1 des Forschungszentrum Jülich der Einsatz des Selective-Laser-Melting, ein Laser-Rapid-Prototyping-Verfahren, qualifiziert. Mit diesem Laserstrahl-Fertigungsverfahren können aus Metallpulvern komplexe Strukturen hergestellt werden, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nur bedingt oder gar nicht zu bauen wären.
Erste Untersuchungen wurden mit hochlegierten Stahllegierungen durchgeführt. Aluminium und Titan sollen bedarfsabhängig folgen.
Die Erzielung von Leckageraten < 10-9 mbar l/s steht aktuell im Vordergrund des Interesses der forschungstechnischen Aufgabestellungen. Zum Einbau in Grundlagenforschungs-Großgeräte wie Teilchenbeschleuniger oder Fusionsexperimente ist die niedrige Leckagerate eine Grundvoraussetzung.
Im Weiteren soll die Einsatzmöglichkeit des Laser-Rapid-Prototyping Verfahrens zur Herstellung von optischen Komponenten für die Strahldiagnostik in Teilchenbeschleunigern und Fusionsexperimenten untersucht werden. Dabei werden Werkstoffe wie Molybdän und TZM zum Einsatz kommen.
In beiden Untersuchungsfeldern ist sowohl das Aufbauen kompletter Bauteile als auch das "Anbauen" an bestehende Komponenten geplant. Somit könnten die Vorteile spanabhebender und urformender Verfahren kombiniert werden. Zusätzlich sind werkstofftechnische Aspekte, wie das "Anbauen" an Einkristalle, ein weiteres Argument für eine kombinierte Baustrategie.

Ein weiteres mögliches Entwicklungsfeld ist in der Herstellung von Komponenten für Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Systeme zu sehen. Hier geht es um die Lösung fertigungstechnischer Herausforderungen, die einerseits durch die im System vorherrschenden hohen Prozesstemperaturen, als auch durch die auftretenden Spannungen in den miteinander verbundenen Einzelkomponenten, wie z. B. Stackmodul, Wärmetauscher oder Reformer hervorgerufen werden. Bis heute werfen vor allem die aufwändigen Schweißkonstruktionen der vorgenannten Bauteile häufig Probleme auf, da durch das hohe Temperaturniveau und unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten die Schweißverbindungen enormen Belastungen ausgesetzt sind. Die Verwendbarkeit von CroFer-Pulvern für das Laser-Rapid-Pototyping soll deshalb untersucht werden, da ausschließlich dieser Stahl für das zentrale Stackmodul und daher auch für die angrenzenden Komponenten zum Einsatz kommt.

Im ZEA-1 steht für diese Untersuchungen eine Laser-Rapid-Prototyping Maschine Typ M2 der Fa. Concept Lasertechnik zur Verfügung. Eine individuelle Bauraumverkleinerung erlaubt Grundlagenuntersuchungen zur Pulverqualifikation ohne das große Bauraumvolumen füllen zu müssen. Mit dem scannergeführten Yb-Faserlaser kann unter kontrollierter Schutzgasatmosphäre auch die Bearbeitung reaktiver Pulver hochgenau und reproduzierbar erfolgen


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