Laser-Strahlformung (Beam Shaping) im LPBF: Ringmoden & Schmelzkontrolle
Dynamische Laser-Strahlformung (Beam Shaping) im LPBF: Ringmode vs. Gaußprofil, Unterdrückung von Keyholing, Spritzerreduktion um 90 %, Verdopplung der Aufbaurate.
Die dynamische Laser-Strahlformung (Beam Shaping / Ring-Mode-Laser) gilt als einer der größten Technologiesprünge im selektiven Laserschmelzen (LPBF). Anstelle eines starren gaußförmigen Laserstrahls mit extrem scharfer Energiespitze im Zentrum erzeugen adaptive optische Fasern oder diffraktive optische Elemente (DOE) maßgeschneiderte Energieprofile – beispielsweise Ringmoden oder Kern-Mantel-Strukturen (Core-Ring). Durch die Verteilung der Energie auf einen größeren Radius wird die Dampfkapillare stabilisiert, Spritzerbildung um bis zu 90 % gesenkt und das Schmelzvolumen pro Sekunde massiv gesteigert.
- Kern-Ring-Strahlprofile eliminieren Überhitzungen in der Strahlmitte und unterdrücken Keyhole-Porosität.
- Reduziert Schmelzspritzer und Schmauchentwicklung um bis zu 90 % für reinere Schichtgefüge.
- Erlaubt Schichtdicken bis 120 µm und verdoppelt die effektive Baurate ohne Festigkeitsverlust.
Technische Kennwerte & Verfahrensvergleich
ISO/ASTM 52900| Strahlprofil | Gaußsches Standardprofil | Reine Ringmode (Donut) | Einstellbare Core-Ring-Mode |
|---|---|---|---|
| Intensitätsverteilung | Scharfe Spitze im Zentrum | Hohlzylinder ohne Zentrum | Kernstrahl + konzentrischer Ring |
| Schmelzbadform | Tiefes, schmales V-Profil | Flaches, breites U-Profil | Optimales, stabiles Schmelzbad |
| Spritzerneigung | Hoch (Keyhole-Instabilität) | Sehr gering | Nahezu eliminiert |
| Hatch-Abstand | Standard (80 - 120 µm) | Breit (150 - 250 µm) | Sehr breit (200 - 350 µm) |
| Konturschärfe | Sehr hoch (optimal für Ränder) | Geringer (nur für Infill) | Umschaltbar: Kern für Kontur, Ring für Infill |
Thermodynamik der Schmelzbadstabilisierung
Beim konventionellen Gaußstrahl überschreitet die Temperatur im Zentrum leicht den Siedepunkt des Metalls. Der entstehende Metalldampfdruck drückt das Schmelzbad nach unten und reißt eine tiefe Dampfkapillare (Keyhole) auf. Bricht diese Kapillare zusammen, werden Gasbläschen eingeschlossen. Ein Ringprofil verteilt die Energie gleichmäßig über eine größere Kreisfläche: Das Metall schmilzt homogen ohne aggressives Sieden, wodurch das Schmelzbad ruhig und laminar bleibt.
Faser-in-Faser-Technologie (nLIGHT AFX, Trumpf BrightLine)
Moderne Strahlformungssysteme nutzen spezielle Lichtleitfasern mit einem zentralen Kern und einem koaxialen Außenring. Über elektro-optische Schalter kann die Laserleistung innerhalb von Millisekunden stufenlos zwischen reinem Kern (z. B. für filigrane Konturen), reinem Ring oder beliebigen Mischungsverhältnissen (für schnelles Flächen-Hatching) umgeschaltet werden.
Erhöhung der Schichtdicke bei Serienbauteilen
Weil der Ringstrahl eine deutlich breitere Schmelzspur zieht, können Schichtstärken von 40 µm auf 80 oder 120 µm angehoben werden, ohne dass Bindefehler auftreten. Die Bauzeiten für voluminöse Bauteile (z. B. im Werkzeugbau oder bei Hydraulikblöcken) verkürzen sich um mehr als die Hälfte.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Kann man Beam-Shaping in bestehende LPBF-Anlagen nachrüsten?
Verschlechtert der größere Ringstrahl die Detailauflösung?
Welche Werkstoffe profitieren am meisten von Beam Shaping?
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