Verbundprojekt

Vakuum-SLS

Selektives Vakuumlasersintern

Kurzfassung:

In diesem Projekt wurde eine weltweit neuartige Technologie zur Generierung von 3D Mikroteilen, das Lasermikrosintern, entwickelt. Es konnte eine Auflösung von unter 30µm bei einem Aspektverhältnis von über 10 erzielt werden, was für ein SLS - Verfahren derzeit Weltrekord bedeutet . Bei der Technologie wird die Handhabung der ultrafeinen Pulver und der Lasersinterprozess in einer Vakuumkammer durchgeführt. Hierzu wurden ein neuartiger Versuchstand aufgebaut und patentierte Verfahren entwickelt. Das Lasermikrosintern erlaubt wahlweise die feste Verbindung der Mikroteile mit dem Substrat oder die lose Anbindung an eine Bauplattform. Das Lösen der Teile erfolgt einfach mit Ultraschall. Die generierten Mikroteile sind spannungsfrei. Bis jetzt wurden Teile und 3D Strukturen aus W, W/Cu, W/Al, Cu, Ti, Ag und Al generiert. Die Technologie lässt sich also sowohl für hoch- als auch für niedrigschmelzende Metalle anwenden. Erstmals sind auch Hinterschneidungen im Mikrobereich möglich. Die weltweit erste Maschine zum Mikrosintern wurde von der 3D-MICROMAC AG zur Hannovermesse 2004 vorgestellt. Diese Maschine der zweiten Generation ist noch nicht für eine automatisierte Produktion geeignet, da in dieser Maschine keine Messfunktionen und keine automatische Handhabung integriert sind.

www: http://laz.htwm.de/3_forschung/21_mikrosintern/

Projektdauer: 01.04.01 - 31.03.04

Projektkoordinator:

Dipl.-Phys. Robby Ebert
Hochschule für Technik und Wirtschaft Mittweida (FH)
Tel.: +49 3727 58-1401
E-Mail: ebert@htwm.de

Ansprechpartner bei PTKA-PFT:

Dr.-Ing. Uwe Krause
Tel.: +49 351 463-31430
E-Mail: uwe.krause@kit.edu

 

Detaillierte Projektbeschreibung

Problemstellung
Bei der Herstellung von Mikro-Bauteilen in kleinen Stückzahlen kommt es neben den immer kleiner werdenden Strukturen vor allem auf die Flexibilität in der Produktgestaltung und -herstellung an. Das Selektive Lasersintern (SLS) ist eines der Verfahren zur flexiblen Herstellung von Bauteilen mit komplexen Strukturen, wie z.B. Hinterschneidungen oder innen liegenden Kanälen. Die limitierenden Faktoren beim SLS - Verfahren waren bisher die begrenzte Werkstoffauswahl, eingeschränkte Genauigkeiten, innere Spannungen, eine teilweise notwendige Nachbehandlung der Bauteile, kein durchgängiges homogenes Gefüge sowie kleinste erreichbare Strukturgrößen von über 200 µm.

Projektziele und erreichte Ergebnisse
Aus der Kenntnis dieser Probleme und um das Selektive Lasersintern auch für die Herstellung von Mikroteilen zu qualifizieren wurden im Projekt mikrometer- und nanometerfeine Pulver verarbeitet und deshalb der Prozess in ein Vakuum verlagert. Die gesamte Prozesskette wurde von der Materialbereitstellung über die Erzeugung der Produktdaten, Fertigungstechnologie bis hin zur Nachbehandlung untersucht und beispielhaft für verschiedene Anwendungsfälle (Mikrowerkzeuge, Erodierwerkzeuge, Mikrohandhabungs-Baugruppen) getestet.
Dabei wurden folgende Teilergebnisse erzielt:
- Die notwendigen Verfahren und Komponenten zum selektiven Lasersintern von mikrometer- und nanometerfeinen Pulvern im Vakuum mit speziellen Rakeln und Rakeltechnologien wurden entwickelt.
- Strukturen mit Schlitzen von 15 µm und Stegen von 30 µm können hergestellt werden. Die minimale Schichtdicke beträgt 1 µm. In Abhängigkeit von der Bauteildichte können Rauheiten bis zu Ra = 1,5 µm erreicht werden. Hinterschnitte mit Winkeln größer als 60 Grad sind ohne Stützkontur möglich.
- Der Einsatz von metallischen Werkstoffen (Wolfram, Kupfer, Aluminium, Gold, Titan, Silber, Molybdän) sowie von Metallkeramikmischungen wurde erfolgreich erprobt.
- Ein Prototyp einer konsequent auf die Anforderungen im industriellen Einsatz ausgerichteten Fertigungsanlage wurde aufgebaut.
Die Erprobung der neuen Anlage und Prozesskette ergab, dass die Herstellung von geometrisch komplexen Freiform-Mikrobauteilen aus metallischen Werkstoffen mit bisher nicht zu erreichender Genauigkeit, Formenvielfalt, Eigenschaft und Flexibilität möglich ist. Durch die Verbindung von Verfahrens-, Werkstoff-, Software- und Anlagenentwicklung gelang eine weltweit einzigartige Lösung. Erstmals steht eine Technik zur Verfügung, bei der mit dem Laser kleine Bauteile mit komplizierten inneren Kanälen oder Führungen mit Genauigkeiten im Mikrometerbereich aus "Staub" aufgebaut werden können.

Ausblick
Die Partner wollen ihre Weltspitzenpositionen festigen und ausbauen. Wachsender Bedarf an derart hergestellten Mikroteilen besteht in der Feinwerk- und Medizintechnik, der Elektrotechnik, der Komponentenfertigung für Computertechnik und Telekommunikation sowie im Werkzeug- und Formenbau. Allein der deutsche Markt der Mikro-Anlagentechnik wird für die kommenden fünf Jahre auf 100 Mio. Euro geschätzt. Ein sehr großes Marktpotenzial besteht in der Herstellung von Kleinserien für Werkzeuge der Mikrofertigung und für Gehäuse mikrooptischer Sensoren und Strahlführungssysteme. Auch bei der anstehenden Markteinführung und Distribution der Laser-Fertigung wollen die Projektpartner zusammenarbeiten.

Publikationen

microSintering - ein neues Verfahren der Mikrobearbeitung

Autor: Ebert, Exner, H.; Petsch, T.

Verlag: Eigenverlag

Erscheinungsjahr: 2004, September

Beschreibung: Im Rahmen des Projektes wurde der bereits bekannte Selektive Lasersinterprozess weltweit erstmals zur Erzeugung von 3D Mikrostrukturen weiterentwickelt. Dazu waren zahlreiche Innovationen an der Maschine und im Prozess notwendig. Diese und die Ergebnisse der Untersuchungen sind im Abschlußbericht enthalten. Der Bericht ist über die Firma 3D Micromac (Chemnitz, Herr Petsch) anzufordern.

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