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Laser Metal Fusion – Vorteile, Funktionsprinzipien und Anwendungen der additiven Technologie

Laser Metal Fusion (LMF) – auf Deutsch „Pulverbettbasiertes Laserschmelzen“ – ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein Werkstück Schritt für Schritt in einem Pulverbett aufgebaut wird. Hierfür schmilzt ein Laser das metallische Pulver genau an den Stellen zu Materialschichten um, die die CAD-Konstruktionsdaten des Bauteils vorgeben. Daher wird das Verfahren häufig als Metall-3D-Druck bzw. 3D-Metalldruck bezeichnet, auch der Begriff Laser-Sintern sowie Laserschmelzen ist in der Branche geläufig. Das Verfahren eignet sich optimal für die Serienfertigung geometrisch komplexer Teile mit filigranen Innenkanälen und Hohlräumen, die mit konventionellen Verfahren wie Drehen oder Fräsen nicht oder wenig effektiv hergestellt werden können. Durch den industriellen 3D-Druck entstehen Bauteile, die eine hohe Stabilität und ein gleichzeitig geringes Gewicht aufweisen – besonders vorteilhaft für den Leichtbau oder maßangefertigte Implantate und Prothesen. Darüber hinaus ist Laser Metal Fusion eine nachhaltige Fertigungsmetholde, da im Vergleich zu abtragenden Verfahren keine Späne und somit wenig überschüssiges Material entstehen. Mit fast zwei Jahrzehnten Erfahrung in der additiven Technologie bietet TRUMPF industriereife Komplettpakete für das Pulverbettverfahren – bestehend aus Maschinen, Services und Digitalisierung aus einer Hand. Von der Teileidentifikation bis zum fertigen Produkt und darüber hinaus – wir decken die komplette Prozesskette für Sie ab.

Funktionsintegration

Per LMF können Anwender aus 3D-CAD-Modellen direkt funktionale Bauteile – z. B. flexible oder drebare Strukturen –  erzeugen.

Konturnahe Kühlung

Durch LMF können Bauteile mit konturnaher Kühlung hergestellt werden. Diese führen die Wärme unmittelbar dort ab, wo sie entsteht.

Gitterstrukturen

Die additive Fertigung ermöglicht die Gestaltung von filigranen Strukturen in einer komplexen Anordnung.

Design for additive manufacturing

Freiheit im Design: Beim 3D-Metalldruck bestimmt die Konstruktion die Fertigung des Bauteils – anders als bei konventionellen Produktionsverfahren.

Produktivität

Beim 3D-Metalldruck entstehen so gut wie keine Rüstzeiten. Dank der Option Multilaser sowie den Automatisierungskomponenten erhöhen Sie die Effizienz Ihrer Fertigung weiter.

Effizienz

Das industrielle Teile- und Pulverhandling von TRUMPF erhöht die Wirtschaftlichkeit Ihrer Produktion.

Sauberkeit

Ein geschlossener Pulverkreislauf sorgt für ein sauberes und sicheres Produktionsumfeld.

Der Prozess Laser Metal Fusion kurz erklärt

Am Anfang des Laser Metal Fusion Verfahrens steht das virtuelle 3D-Modell des Bauteils. Während der Datenvorbereitung werden die Designdaten in eine maschinenlesbare Baujob-Datei umgewandelt. Dabei werden die Bauteile auf der Substratplatte positioniert und bei Bedarf Stützstrukturen angebracht. Für den Druckprozess werden die  Bauteile in einzelne Schichten zerlegt („Slicen“) und die dazugehörigen Laserbahnen definiert („Hatchen“). Der schichtweise Aufbau des Werkstücks erfolgt schließlich in der Prozesskammer unter Schutzgas auf einer Substratplatte. In der Kammer sitzen Vorrats-, Bau- und Überlaufzylinder in einer Achse nebeneinander. Der Beschichter schiebt das Pulver vom Vorrats- auf den Bauzylinder (1). Anschließend verschmilzt der Laser die erste Pulverschicht entsprechend der Teilekontur stoffschlüssig mit der darunter liegenden Schicht (2). Im nächsten Schritt sinkt der Bauzylinder um eine Schicht ab (3). Das Bauteil wird sozusagen ins Pulverbett gebaut. Das überschüssige Pulver landet im Überlaufzylinder. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis das Bauteil vollständig generiert ist. Um die Produktivität zu erhöhen setzt TRUMPF in seinen Systemen mehrere Laser ein, die gleichzeitig arbeiten. Hierbei spricht man vom sogenannten Multilaserprinzip. Das fertigte Teil wird schließlich in einer Entpackstation von Metallpulver befreit. Anschließend wird das Bauteil von der Platte getrennt, falls vorhanden, die Stützstrukturen entfernt und bei Bedarf das Werkstück nachbearbeitet.

Funktionsweise Laser Metal Fusion (Lasersintern) erklärt anhand einer Funktionsskizze.

Das Funktionsprinzip des metallischen 3D-Drucks kurz erklärt.


Anwendungen und Einsatzgebiete - so vielseitig wie die Technologie selbst

Additiv gefertigte, individuelle Schädelimplantate aus Titan

Schädelimplantat

Laser Metal Fusion erfüllt die hohen Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen an die Fertigung medizinischer Geräte und Implantate. In 8,45 Stunden und mit fast 5.000 Schichten wurde beispielsweise das abgebildete, personalisierte Schädelimplantat aus Titan gefertigt.

Leichtbau eines Montagewinkels generiert mit einer TruPrint 1000

Montagewinkel

In der Luft- und Raumfahrt ist Leichtbau bei gleichzeitig gutem Kraftfluss innerhalb des Werkstücks von zentraler Bedeutung. Dieses sogenannte topologieoptimierte Design kann per Pulverbettverfahren einfach hergestellt werden – so wie bei dem abgebildeten Montagewinkel für Flugzeugtüren, der innerhalb von 8 Stunden und mit knapp 2.700 Ebenen aufgebaut wurde.

Generativ gefertigter Hydraulikblock mit TruPrint Maschinen von TRUMPF

Hydraulikblock

Der gezeigte Hydraulikblock wird zum Kuppeln zwischen dem Steuerventil und dem Hydraulikzylinder eingesetzt. Wird er mit der Laser Metal Fusion Methode gefertigt, so lässt sich sein Gesamtvolumen um 80 %, der Druckverlust um 93 % reduzieren – ohne jeglichen Funktionsverlust. Der Aufbau erfolgte ohne Stützstrukturen und war in elf Stunden abgeschlossen.

Angussverteiler

Konventionell wären zur Fertigung dieses Angussverteilers fünf Einzelteile notwendig. Beim pulverbettbasierten Laserschmelzen fertigen Sie direkt das fertige Bauteil. Konturnahe, komplexe Temperierkanäle können per LMF einfach generiert werden. Darüber hinaus profitieren Kunden von einer Zykluszeitreduzierung sowie thermisch stabilen Produktionsprozessen mit minimaler Ausschussrate. Der Angussverteiler im Bild wurde innerhalb von 70 Stunden gefertigt.

Achsträger

In der Automobilbranche können komplexe, funktionsfähige Prototypen per pulverbettbasiertem Laserschmelzen werkzeuglos und schnell aufgebaut werden. Die additive Fertigung des gezeigten design- und topologieoptimierten Achsträgers dauerte fünf Stunden.

Mit der TruPrint 1000 aufgebautes Dentalprodukt

Dentalplatte

Auch die Dentalbranche profitiert von den vielen Vorteilen der additiven Fertigung. Schicht für Schicht können mit biokompatiblem Material beliebig komplexe Indikationen hochpräzise und in Rekordzeit aufgebaut werden. Die abgebildete Dentalplatte mit Zahnkronen wurden innerhalb von sechs Stunden mit rund 1.200 Schichten gefertigt.

Bauteil aus dem R&D-Bereich

Bei der Applikations- oder Parameterentwicklung wird der abgebildete Baujob eingesetzt. Dabei werden die langen Stäbe nach dem Trennen von der Substratplatte zu Zugproben verarbeitet. Mit diesen können die Festigkeit und Verformbarkeit des Bauteils überprüft werden. Nach Trennen und Schleifen werden die anderen quadratischen Bauteile unter dem Mikroskop auf eventuell vorhandene, feine Fehler untersucht. In beiden Fälle geht es um die Qualitätssicherung der Bauteile.

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