DE102012020810A1

DE102012020810A1 - Verfahren zum schnellen generativen Aufbau von mikrostrukturierten Körpern aus Partikeln eines Pulvers mit einem gepulsten Laser auf Substrate

Info

Publication number: DE102012020810A1
Application number: DE201210020810
Authority: DE
Inventors: Martin Erler; Sascha Klötzer; Robby Ebert; Horst Exner
Original assignee: Hochschule Mittweida FH
Current assignee: Hochschule Mittweida FH
Priority date: 2012-10-21
Filing date: 2012-10-21
Publication date: 2014-02-13

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum schnellen generativen Aufbau von mikrostrukturierten Körpern aus Partikeln eines Pulvers mit einem gepulsten Laser auf Substrate. Diese zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Körper einfach und schnell und damit ökonomisch realisierbar sind. Dazu werden die folgenden Schritte durchgeführt: a) Überfahren des Substrates oder des Pulver aufweisenden Substrates mit den gepulsten und fokussierten Laserstrahlen des Lasers zur Erzeugung wenigstens einer Reihe von Kavitäten mit Schmelzrändern, b) Aufbringen von Pulver, wobei auch die Schmelzränder aufweisenden Kavitäten mit Pulver befüllt werden, c) Überfahren des Pulver aufweisenden Substrates mit den gepulsten und fokussierten Laserstrahlen des Lasers und d) Wiederholen der Schritte b) und c) bis die mikrostrukturierten Körper realisiert sind. Das erfolgt für – regelmäßige und entweder sich berührende oder überlappende sowie in Richtung der Laserstrahlen weisende Kavitäten mit Schmelzrändern oder – für beabstandete und gegenüber den Laserstrahlen schräge sowie beabstandet zum Substrat zusammenwachsende Kavitäten mit Schmelzrändern.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum schnellen generativen Aufbau von mikrostrukturierten Körpern aus Partikeln eines Pulvers mit einem gepulsten Laser auf Substrate.
Das Verfahren zum schnellen generativen Aufbau von mikrostrukturierten Körpern aus Partikeln eines Pulvers mit einem gepulsten Laser auf Substrate ist ein generatives Fertigungsverfahren. Einerseits kann ein kontinuierlicher Pulverstrom mittels fokussierten Laserstrahl aufgeschmolzen und dabei schichtweise miniaturisierte Bauteile oder Strukturen auf einer Oberfläche aufgebaut werden. Diese Vorgehensweise ist mit dem bekannten makroskopischen Laserpulverauftragschweißen vergleichbar. Anderseits kann das Pulver auf die Oberfläche gerakelt werden. Dies entspricht dem makroskopischen Selektiven Lasersintern. Entsprechend der notwendigen kleineren Spurbreiten müssen die Prozessparameter Pulverkorndurchmesser, Pulverfördermenge oder Pulverschichtdicke, Laserstrahlfokusdurchmesser und Laserstrahlleistung skaliert werden. Im Mikrobereich heißen die Verfahren Micro Cladding oder Lasermikrosintern.
Bei Verwendung von kontinuierlicher Laserstrahlung, wobei der Laserstrahl relativ langsam zur Substratoberfläche bewegt wird, bleiben die Streckenenergien hoch und die Intensitäten gering. Dies führt zu einer relativ hohen thermischen Belastung des Substrates und der aufgebauten Struktur sowie zu einer geringen Bearbeitungsgeschwindigkeit.
Vorteilhafterweise wird dagegen bei dem Verfahren ein gepulster Laser und ein Scanner mit hohen Ablenkgeschwindigkeiten verwendet. Damit kann die Energie auch im Mikrobereich definiert eingebracht werden. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren, bei denen mit örtlich stochastisch oder semi-stochastisch verteilten Pulsen gearbeitet wird, wird der Auftreffort der Laserpulse bei dem neuen Verfahren abhängig vom Durchmesser des Laserstrahles gezielt eingestellt. Zum Pulverauftrag kann eine Pulverdüse oder eine Rakel verwendet werden.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mikrostrukturierte Körper aus Partikeln eines Pulvers einfach und schnell auf Substrate zu bauen.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Verfahren zum schnellen generativen Aufbau von mikrostrukturierten Körpern aus Partikeln eines Pulvers mit einem gepulsten Laser auf Substrate zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Körper einfach und schnell und damit ökonomisch realisierbar sind.
Dazu werden die folgenden Schritte durchgeführt:

a) Überfahren des Substrates oder des Pulver aufweisenden Substrates mit den gepulsten und fokussierten Laserstrahlen des Lasers zur Erzeugung wenigstens einer Reihe von Kavitäten mit Schmelzrändern,
b) Aufbringen von Pulver, wobei auch die Schmelzränder aufweisenden Kavitäten mit Pulver befüllt werden,
c) Überfahren des Pulver aufweisenden Substrates mit den gepulsten und fokussierten Laserstrahlen des Lasers und
d) Wiederholen der Schritte b) und c) bis die mikrostrukturierten Körper realisiert sind.

Das erfolgt für

– regelmäßige und entweder sich berührende oder überlappende sowie in Richtung der Laserstrahlen weisende Kavitäten mit Schmelzrändern bei von Überfahrt zu Überfahrt konstantem von durch die Pulsfrequenz in Abhängigkeit von der Ablenkgeschwindigkeit und der Phasenkonstanz bestimmtem Auftreffort des Laserpulses oder
– für beabstandete und gegenüber den Laserstrahlen schräge sowie beabstandet zum Substrat zusammenwachsende Kavitäten mit Schmelzrändern bei sich von Überfahrt zu Überfahrt um einen Festbetrag ändernden Auftreffort des Laserpulses.

Das Verfahren eignet sich vorteilhafterweise zur gezielten Mikrostrukturierung, um 2,5-D-Mikrostrukturen mit hohem Aspektverhältnis in hoher Geschwindigkeit mit demzufolge einer hohen Baurate zu erzeugen. Dabei handelt es sich um ein generatives Fertigungsverfahren. Einerseits kann ein kontinuierlicher Pulverstrom mittels fokussierten Laserstrahl aufgeschmolzen und dabei schichtweise miniaturisierte Bauteile oder Strukturen auf einer Oberfläche aufgebaut werden. Diese Vorgehensweise ist mit dem bekannten makroskopischen Laserpulverauftragschweißen vergleichbar. Anderseits kann das Pulver auf die Oberfläche gerakelt werden. Dies entspricht dem makroskopischen Selektiven Lasersintern. Entsprechend der notwendigen kleineren Spurbreiten müssen die Prozessparameter Pulverkorndurchmesser, Pulverfördermenge oder Pulverschichtdicke, Laserstrahlfokusdurchmesser und Laserstrahlleistung skaliert werden.
Bei Verwendung von kontinuierlicher Laserstrahlung, wobei der Laserstrahl relativ langsam zur Substratoberfläche bewegt wird, bleiben die Streckenenergien hoch und die Intensitäten gering. Dies führt zu einer relativ hohen thermischen Belastung des Substrates und der aufgebauten Struktur sowie zu einer geringen Bearbeitungsgeschwindigkeit.
Vorteilhafterweise wird dagegen bei dem Verfahren ein gepulster Laser und ein Scanner mit hohen Ablenkgeschwindigkeiten verwendet. Damit kann die Energie auch im Mikrobereich definiert eingebracht werden. Zum Pulverauftrag kann eine Pulverdüse oder eine Rakel verwendet werden.
Neben der Verbesserung der Baurate durch eine gezielte Mikrostrukturierung zeichnet sich das Verfahren durch eine gute Skalierbarkeit aus. Die Auflösung des Verfahrens wird weitestgehend nur durch den Fokusdurchmesser des Laserstrahls bestimmt. Weiterhin lässt sich die Baurate durch Erhöhung der Scangeschwindigkeit und unter Berücksichtigung der notwendigen Prozessbedingungen wie einem gleichbleibenden geometrischen Pulsabstand, einer konstanten Phasenlage und gleichbleibender Fluenz erhöhen. So konnte die Baurate beim Micro Cladding durch Verdopplung von Pulsfrequenz, mittlerer Laserleistung und Scangeschwindigkeit einfach verdoppelt werden. Der verkürzte zeitliche Pulsabstand hatte keinen Einfluss auf den Bauprozess. Darüber hinaus zeigte sich, dass die vertikale Fokuslage bis zu einer Bauteilhöhe von 1,5 mm nicht nachgeführt werden musste. Die Wandstärke und die Baurate blieben während des Aufbaus konstant. Zudem war durch die geringe eingebrachte Streckenenergie die thermische Belastung minimal und die Generierung von Mikrowänden auf Blechen mit Dicken ab 100 μm problemlos realisierbar.
Durch den Einsatz einer prozessangepassten optimierten Fluenz und der regelmäßigen Pulsverteilung führt das Verfahren günstigerweise zu einer Erhöhung der Pulverausnutzung und zu einer deutlichen Steigerung der Baurate.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 10 angegeben.
Die Fokussierung und Pulsenergie und somit die Fluenz sowie die Pulsdauer werden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 so gewählt, dass ein Abtrag des Substrates zur Erzeugung einer Kavität mit Schmelzrand erfolgt und dass nach mehreren Überfahrten der Aufbau von Material gegenüber dem Abtrag überwiegt.
Mikrostrukturierte Körper aus Edelstahl werden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 mit Pulver aus Edelstahl mit einem mittleren Pulverkorndurchmesser von 6,3 μm und einem Laserstrahl mit einer Fluenz von 22 bis 32 J/cm² und einer Pulsdauer von 200 ns aufgebaut.
Der Aufbau erfolgt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 ab fünfzig Überfahrten.
Der Abstand sich berührender Kavitäten mit Schmelzrändern beträgt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 77% bis 100% des Fokusdurchmessers des Laserstrahls (86% Leistungseinschluss).
Der Festbetrag des sich ändernden Auftreffortes der Laserpulse von Überfahrt zu Überfahrt ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 weniger als 10% des Fokusdurchmessers (86% Leistungseinschluss).
Der Festbetrag des sich ändernden Auftreffortes der Laserpulse ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 ein durch eine Phasenverschiebung zwischen der Laserpulsfrequenz und der Überfahrtfrequenz erzeugter Festbetrag.
Bei sich kreuzenden Überfahrten wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 ein Puls ausgespart, so dass beim Aufbau Überhöhungen vermieden werden.
Das Pulver wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 durch eine Düse oder eine Rakel aufgebracht, so dass Pulver in der Kavität aus dem kontinuierlichen Pulverstrahl oder mittels der Rakel gespeichert wird. Dieses gespeicherte Pulver führt in Zusammenhang mit dem neu aufgebrachten Pulver zu der erhöhten Baurate bei gleichzeitiger Pulverersparnis.
Günstigerweise sind die Mikrostrukturen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 gerade oder gekrümmte Mikrowände, Röhrchen oder Gitter.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 die Baurate in Abhängigkeit von der Fluenz bei unterschiedlichen geometrischen Pulsabständen in einer grafischen Darstellung und
2 die Baurate in Abhängigkeit vom geometrischen Pulsabstand in einer grafischen Darstellung.
Bei einem Verfahren zum schnellen generativen Aufbau von mikrostrukturierten Körpern aus Partikeln eines Pulvers mit einem gepulsten Laser auf Substrate erfolgen die folgenden Schritte:

Für regelmäßige und entweder sich berührende oder überlappende sowie in Richtung der Laserstrahlen weisende Kavitäten mit Schmelzrändern erfolgt das bei von Überfahrt zu Überfahrt konstantem von durch die Pulsfrequenz in Abhängigkeit von der Ablenkgeschwindigkeit und der Phasenkonstanz bestimmtem Auftreffort des Laserpulses.
Für beabstandete und gegenüber den Laserstrahlen schräge sowie beabstandet zum Substrat zusammenwachsende Kavitäten mit Schmelzrändern erfolgt das bei sich von Überfahrt zu Überfahrt um einen Festbetrag ändernden Auftreffort des Laserpulses.
Die 1 zeigt die Baurate in Abhängigkeit von der Fluenz bei unterschiedlichen geometrischen Pulsabständen in einer prinzipiellen grafischen Darstellung.
Der optimale Fluenzbereich liegt im Bereich von 22 bis 32 J/cm². Dieser kann sich bereits im Bereich der Verdampfung des Materials befinden, dennoch erfolgt ein Aufbau. Der geometrische Pulsabstand hat einen erheblichen Einfluss auf die Baurate. Die größten Bauraten sind bei geometrischen Pulsabständen zwischen 40 μm und 52 μm zu verzeichnen, die im Bereich des verwendeten Fokusdurchmessers (86% Leistungseinschluss) von 52 μm liegen. Auch bei einem geometrische Pulsabstand, bei dem kein Pulsüberlapp vorhanden ist, kann ein Aufbau erfolgen.
Die 2 zeigt die Baurate in Abhängigkeit vom geometrischen Pulsabstand in einer prinzipiellen grafischen Darstellung.
Der im Diagramm der 2 gezeigte Streifen stellt den idealen Arbeitsbereich bei H₀ = 27 J/cm² und f_Puls = 50 kHz dar.
Grundlage dazu ist der Sachverhalt, dass sich in den Kavitäten Partikel des Pulvers lose ansammeln. Diese Partikel stehen damit zusätzlich bei einer erneuten Überfahrt für den Aufbauprozess zur Verfügung. Durch die Speicherung von Pulver in den Mikro-Vertiefungen während der Pulspause ist der Aufbauprozess stark beschleunigt.
In einer Ausführungsform wird zur Durchführung des Verfahrens ein gepulster Yb:YAG-Faserlaser mit einer maximalen mittleren Ausgangsleistung von 20 W als Strahlquelle verwendet. Die Pulsdauer beträgt 200 ns und die Frequenz 50 kHz. Zur schnellen Strahlablenkung kommt ein Galvo-Scanner mit einer Ablenkgeschwindigkeit von 2,4 m/s zur Anwendung. Die Fokussierung erfolgt über eine F-Theta-Optik mit einer Brennweite von 63 mm. Der erzielte Fokusdurchmesser beträgt 52 μm. Zum Aufbau eines mikrostrukturierten Körpers aus Edelstahl wird Pulver mit einer zumeist sphärischen Partikelform eingesetzt. Das Substratmaterial ist austenitisches CrNiMo-Stahl. Der mittlere Partikeldurchmesser beträgt 6,3 μm. Das Pulver-Gasgemisch (Trägergas: 8 l/min Argon; Fördermenge: 15 g/min) wird über eine Flachstrahldüse mit einem Austrittsquerschnitt von 45 × 0,5 mm² am Bearbeitungsort verteilt. Der Abstand der Düsenaustrittsöffnung zur Substratoberfläche beträgt 6 mm bei einem Düsenanstellwinkel von 65°. Der Laserstrahl wird mit dem kontinuierlichen Pulverstrom auf der Substratoberfläche mittig überlagert.

Claims

Verfahren zum schnellen generativen Aufbau von mikrostrukturierten Körpern aus Partikeln eines Pulvers mit einem gepulsten Laser auf Substrate mit den folgenden Schritten: a) Überfahren des Substrates oder des Pulver aufweisenden Substrates mit den gepulsten und fokussierten Laserstrahlen des Lasers zur Erzeugung wenigstens einer Reihe von Kavitäten mit Schmelzrändern, b) Aufbringen von Pulver, wobei auch die Schmelzränder aufweisenden Kavitäten mit Pulver befüllt werden, c) Überfahren des Pulver aufweisenden Substrates mit den gepulsten und fokussierten Laserstrahlen des Lasers und d) Wiederholen der Schritte b) und c) bis die mikrostrukturierten Körper realisiert sind mit – zum Einen von Überfahrt zu Überfahrt konstantem von durch die Pulsfrequenz in Abhängigkeit von der Ablenkgeschwindigkeit und der Phasenkonstanz bestimmtem Auftreffort des Laserpulses für regelmäßige und entweder sich berührende oder überlappende sowie in Richtung der Laserstrahlen weisende Kavitäten mit Schmelzrändern oder – zum Anderen sich von Überfahrt zu Überfahrt um einen Festbetrag ändernden Auftreffort des Laserpulses für beabstandete und gegenüber den Laserstrahlen schräge sowie beabstandet zum Substrat zusammenwachsende Kavitäten mit Schmelzrändern.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierung und Pulsenergie und somit die Fluenz sowie die Pulsdauer so gewählt werden, dass ein Abtrag des Substrates zur Erzeugung einer Kavität mit Schmelzrand erfolgt und dass nach mehreren Überfahrten der Aufbau von Material gegenüber dem Abtrag überwiegt.
Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mikrostrukturierte Körper aus Edelstahl mit Pulver aus Edelstahl mit einem mittleren Pulverkorndurchmesser von 6,3 μm und einem Laserstrahl mit einer Fluenz von 22 bis 30 J/cm² und einer Pulsdauer von 200 ns aufgebaut werden.
Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau ab fünfzig Überfahrten erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand sich berührender oder überlappender Kavitäten mit Schmelzrändern 77% bis 100% des Fokusdurchmessers des Laserstrahls beträgt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Festbetrag des sich ändernden Auftreffortes der Laserpulse von Überfahrt zu Überfahrt weniger als 10% des Fokusdurchmessers ist.
Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Festbetrag des sich ändernden Auftreffortes der Laserpulse ein durch eine Phasenverschiebung zwischen der Laserpulsfrequenz und der Überfahrtfrequenz erzeugter Festbetrag ist.
Verfahren nach Patentanspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei sich kreuzenden Überfahrten ein Laserpuls am Kreuzungspunkt der Überfahrten ausgespart wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver durch eine Düse oder eine Rakel aufgebracht wird, so dass Pulver in der Kavität aus dem kontinuierlichen Pulverstrahl oder mittels der Rakel gespeichert wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen gerade oder gekrümmte Mikrowände, Röhrchen oder Gitter sind.