Forscher am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben ein Verfahren vorgestellt, das zerstörerische Spannungen beim Druck dreidimensionaler Bauteile eindämmt. Sie erhitzen das Bauteil zwischendurch als Ganzes mit einem Hochleistungs-Diodenlaser.
Eigenspannungen entstehen vor allem bei der Herstellung metallischer Bauteile. Sie werden Schicht für Schicht hergestellt, indem ein flächig verteiltes Metallpulver von einem scharfen Laserstrahl an den Stellen kurzzeitig aufgeschmolzen wird, die erhalten bleiben sollen. Sie kühlen danach schnell ab, weil die Schichtdicke gering ist. Anschliessend wird erneut Metallpulver aufgestreut und der Prozess wiederholt. Wegen der Nähe von heissen und kalten Sektoren des Bauteils entstehen Spannungen, die das Bauteil zerstören können.
Auch bei anderen Metallverarbeitungstechniken treten Spannungen auf. In vielen Fällen werden sie durch sogenanntes Tempern behoben, durch die Erhitzung des fertigen Bauteils in einem Ofen. Nach den Erfahrungen der LLNL-Ingenieure ist das kein geeigneter Weg, um 3D-gedruckte Bauteile zu behandeln. Sie entschieden sich für eine Art Tempern (englisch anneal) während des Herstellungsprozesses. In regelmässigen Abständen erhitzen sie das erst teilweise fertige Bauteil kurzzeitig komplett mit einem Diodenlaser. Mit dieser Methode lassen sich innere Spannungen um 90 Prozent reduzieren.
"Es ist sehr schwer, innere Spannungen bei metallischen Bauteilen abzubauen", sagt Teamleiter John Roehling und ergänzt: "Wir haben viele Dinge ausprobiert, beispielsweise die Prozessparameter geändert. Doch erst die Laserdioden-Behandlung führte zu nahezu fehlerfreien Bauteilen." Beim Tempern wird die Oberfläche, nachdem sie erkaltet ist, jeweils für 20 Sekunden erhitzt. Das Ergebnis ähnele dem Tempern in einem Ofen bei einer Temperatur von 1.000 Grad Celsius.
Die Forscher haben einen normalen 3D-Metalldrucker durch einen Diodenlaser ergänzt, der einen flächigen Strahl erzeugt, um die komplette Oberfläche abzudecken. Bisher lassen sich nur kleine Bauteile auf diese Art behandeln. Die Technik soll jetzt weiterentwickelt werden, sodass es keine Grössenbegrenzung mehr gibt. Ziel ist die Produktion von Bauteilen aus einer Titanlegierung (Ti64), die den Ansprüchen im Flugzeugbau genügen.
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