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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 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 Schleifen 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. mit integrierten Kühlkanälen –  erzeugen.

Konturnahe Kühlung

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

Gitterstrukturen

In der additive Fertigung ermöglicht eine Gestaltung mit Hilfe von Gitterstrukturen eine deutlich schnellere Fertigung von Bauteilen.

Design-driven manufacturing

Beim 3D-Metalldruck bestimmt die Konstruktion und das Design die Fertigung des Bauteils – anders als bei konventionellen Produktionsverfahren.

Produktivität

Beim 3D-Metalldruck entstehen so gut wie keine Rüstzeiten. Dadruch lasten Sie Ihre Maschinen immer optimal aus und erhöhen die Effizienz Ihrer Fertigung.

Automation

Das industrielle Teile- und Pulvermanagement 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 als CAD-Zeichnung. Während der Datenvorbereitung wird das Werkstück in viele einzelne Schcihten unterteilt („Slicen“) sowie bei Bedarf Stützstrukturen angebracht. Der schichtweise Aufbau des Werkstücks erfolgt schließlich in der Prozesskammer unter Schutzgas auf einer Substratplatte. Dabei liegt der Sauerstoffgehalt bei 0,1 Prozent. In der Kammer sitzen Vorrats-, Bau- und Überlaufzylinder in einer Achse nebeneinander. Der sogenannte Beschichter schiebt das Pulver vom Vorrats- auf den Bauzylinder. Anschließend verschmilzt der Laser die erste Pulverschicht entsprechend der Teilekontur. Im nächsten Schritt sinkt der Bauzylinder ab, 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 nachzubearbeitet.

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.

Mit additiver Fertigung hergestellter Angussverteiler

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 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.

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Welche Produkte eignen sich für Laser Metal Fusion?

Laser Metal Fusion (LMF)

Laser Metal Fusion wird häufig auch als metallischer 3D-Druck, Powder Bed Fusion oder Selective Laser Melting bezeichnet. Der Laser baut das Werkstück Schicht um Schicht aus einem Pulverbett heraus auf. Den Bauplan liefert ein CAD-Modell. Werkzeug wird nicht benötigt. Das Pulver wird auf eine Bauplattform aufgetragen. Der Laserstrahl schmilzt das Pulver gemäß CAD-Daten punktgenau auf und verbindet definierte Stellen mit der darunterliegenden Schicht. Diesen Vorgang wiederholt der Laser so lange, bis das Metallteil fertig ist. Das Werkstück besitzt die Eigenschaften des in Pulverform eingesetzten Materials. Nutzbar ist eine große Zahl metallischer Materialien in Pulverform, wie z.B. Stahl, Aluminium oder Titan.

Bauteilgenerierung mittels Laser Metal Fusion

Vorteile des pulverbettbasierten Laserschmelzens

Als Ergänzung zu herkömmlichen Produktionsverfahren weist die LMF-Technologie eine Reihe von Vorteilen auf. Die Designfreiheit ist beinahe grenzenlos. So lassen sich aufwendige Formen und individuelle Bauteile schnell, flexibel und kostengünstig verwirklichen. LMF bietet Lösungen, wo konventionelle Fertigung an Grenzen stößt und ermöglicht zudem eine wirtschaftliche Herstellung, bereits ab kleinsten Losgrößen.

Turboradialgebläse mit TruPrint 3000 aufgebaut (LMF)

Einsatzgebiete

Die Bauteile, die mit dem Verfahren hergestellt werden, entsprechen höchsten Materialanforderungen für anspruchsvolle Aufgaben. Stabilität und geringes Gewicht machen das Verfahren besonders interessant für den Leichtbau und bionische Strukturen, wie sie beispielsweise in den Branchen Luft- und Raumfahrt, Automobil oder auch in der Medizintechnik Anwendung finden.

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