Echtzeitsteuerung des selektiven Mikrolaserschmelzen, Hochschule für Life Sciences FHNW

Das selektive Mikrolaserschmelzen (µSLM) ist eine additive Fertigungstechnologie, mit der sich komplexe Metallbauteile im Miniaturformat mit aussergewöhnlicher Präzision herstellen lassen. Hochleistungslaser mit hoher Fokussierung schmelzen und verbinden ultrafeine Metallpulver selektiv Schicht für Schicht auf der Grundlage von CAD-Dateien.

Die exakte Steuerung des Laserschmelzprozesses im Pulverbett spielt dabei eine entscheidende Rolle. Die Aufrechterhaltung einer konstanten Laserleistung ist unerlässlich, um eine ungleichmässige Wärmeverteilung über verschiedene geometrische Bereiche innerhalb des Bauteils zu vermeiden. Eine unzureichende Steuerung, beispielsweise durch lokale Überhitzung, kann zu unerwünschten Ergebnissen wie geometrischen Verformungen, Porosität, Verzug, Verzerrung, Agglomeration und Oberflächenunregelmässigkeiten führen – all dies kann die Erzeugung feiner Strukturen beeinträchtigen.

In diesem Projekt entwickeln wir Echtzeit-Regelungen für das selektive Laserschmelzen. Wir setzten ein Hochgeschwindigkeits-Pyrometer ein, um optimale Zieltemperaturen für das Schmelzbad zu ermitteln. In modernsten µSLM-Systemen regulierten wir anschliessend die Laserleistung dynamisch über einen pyrometerbasierten Echtzeit-Regelkreis und stellten so eine präzise Steuerung der Laserleistung über verschiedene Zeitskalen hinweg sicher.

Unsere Forschung zeigt, dass die Implementierung von Echtzeit-Regelungsmechanismen in der µSLM-Fertigung zu feineren Kobalt-Chrom (CoCr)-Strukturen, verbesserten Überhängen, glatteren Oberflächen und dichteren Mikrostrukturen führt. Dies unterstreicht, dass eine prozessbegleitende Regelung die Qualität und Effizienz der additiven Fertigung von miniaturisierten medizinischen Geräten und Komponenten verbessern kann.