LPBF / SLM Working Principle: Laser Powder Bed Fusion in Detail
Comprehensive engineering guide to LPBF/SLM: laser melt pool dynamics, recoating, volumetric energy density windows, and part densities exceeding 99.8%.
Laser Powder Bed Fusion (LPBF / PBF-LB/M according to ISO/ASTM 52900) is the benchmark additive process for complex metallic parts. A precision fiber laser melts fine metal powder layer by layer, achieving relative densities > 99.8% and tensile properties exceeding cast metals.
- 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.
Technical Specifications & Comparison Matrix
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 |
Thermodynamics and Melt Pool Dynamics
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.
Powder Recoating Dynamics
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.
Process Limitations and Residual Stress
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.
Frequently Asked Questions (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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