LPBF / SLM Funktionsweise: Selektives Laserschmelzen im Detail
Umfassender Ingenieur-Leitfaden zum LPBF / SLM: Laser-Schmelzbad-Dynamik, Schichtauftrag, Prozessfenster (Volumenenergie), Schutzgasführung und Bauteildichte > 99.8 %.
Das Laser-Pulverbettverfahren (Laser Powder Bed Fusion, LPBF / PBF-LB/M, oft auch als SLM oder DMLS bezeichnet nach DIN EN ISO/ASTM 52900) ist das dominierende additive Fertigungsverfahren für hochkomplexe Metallkomponenten. Ein Präzisions-Faserlaser schmilzt feines Metallpulver (Kornfraktion 15 - 53 µm) Schicht für Schicht lokal auf. Durch die exakte Abstimmung von Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Hatch-Abstand und Schichtdicke werden Gefügedichten von über 99.8 % und mechanische Kennwerte oberhalb konventioneller Gusslegierungen erzielt.
- Volumenenergiedichte (VED = P / (v * h * t)) bestimmt das Prozessfenster zwischen Bindefehlern und Keyholing.
- Laminare Argon- oder Stickstoffschutzgasströmung verhindert Schmauchanlagerungen und absorbiert Prozessspritzer.
- Erreicht Maßtoleranzen nach DIN EN ISO 2768-mK sowie Schichtstärken zwischen 20 und 60 µm.
Technische Kennwerte & Verfahrensvergleich
ISO/ASTM 52900| Parameter | Standard LPBF (1 Laser) | Multi-Laser LPBF (4-8 Laser) | Laser-DED (Pulver) |
|---|---|---|---|
| Laserleistung | 200 - 500 W Faserlaser | 4x - 8x 500 - 1000 W | 1.000 - 4.000 W Diode/Faser |
| Scangeschwindigkeit | 800 - 1.800 mm/s | 1.000 - 2.500 mm/s | 10 - 40 mm/s |
| Schichtdicke | 30 - 50 µm | 40 - 80 µm | 0.4 - 2.0 mm |
| Oberflächenrauheit (Ra) | 6 - 12 µm | 8 - 15 µm | 25 - 60 µm |
| Bauraumgröße | Bis 250 x 250 x 300 mm | Bis 600 x 600 x 1000 mm | Bis 3.000 x 2.000 mm |
Thermodynamik und Schmelzbad-Dynamik im LPBF
Das physikalische Herzstück des LPBF-Prozesses ist die Wechselwirkung zwischen dem fokussierten Laserstrahl und der Pulverschüttung. Innerhalb von Mikrosekunden entstehen Temperaturgradienten von bis zu 10^6 K/s. Dieses extrem schnelle Aufheizen und Erstarren führt zu einem feinkörnigen, metastabilen Gefüge mit hervorragenden Festigkeitswerten. Überschreitet die Energiedichte einen kritischen Schwellenwert, verdampft Metallpulver lokal und reißt ein Dampfkapillar (Keyhole) auf, was kugelförmige Gasporen hinterlassen kann.
Schichtauftrag und Pulver-Interaktion
Die Qualität jeder Schicht hängt von der gleichmäßigen Pulververteilung ab. Rakelsysteme mit Keramik-, HSS- oder Silikonlippen sowie Gegenlaufwalzen tragen Schichten von 20 bis 60 µm auf. Ungleichmäßige Partikelgrößenverteilungen (PSD) oder Agglomerate führen zu Riefen und Schichtdickenfluktuationen, die direkte Gefügedefekte nach sich ziehen.
Prozessgrenzen und Wärmespannungen
Aufgrund der hohen lokalen Temperaturgradienten bauen sich im Bauteil erhebliche makroskopische Zugeigenspannungen auf. Ohne adäquate Stützstrukturen (Supports) oder beheizte Bauplatten (Vorheizung bis 200 °C oder 500 °C) kann es zu Bauteilverzug, Delamination von der Grundplatte oder sogar zum Crash mit der Beschichterklinge kommen.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Worin liegt der Unterschied zwischen LPBF, SLM und DMLS?
Welche Festigkeiten erreichen Bauteile aus dem LPBF-Verfahren?
Warum benötigt man Stützstrukturen beim LPBF?
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