Selektives Lasersintern von endkonturnahen keramischen Komponenten mittels ultrakurzgepulster Laserstrahlung

Abstract

Im Rahmen des Verbundprojekts SAPHIR wurde das selektive Lasersintern keramischer Pulver mittels ultrakurzgepulster Laserstrahlung (UKP-SLS) untersucht, um endkonturnahe keramische Bauteile aus reinen Pulvern herzustellen. Der vorliegende Bericht dokumentiert die Arbeiten des Teilvorhabens zur Prozess- und Anlagenentwicklung sowie zur materialwissenschaftlichen Charakterisierung der eingesetzten Pulver. Ein Schwerpunkt lag auf der systematischen Aufbereitung und Analyse keramischer Pulver (u. a. Al₂O₃, ZrO₂ und SiO₂), wobei Partikelgrößenverteilung, Partikelform sowie rheologische Eigenschaften untersucht wurden, um deren Einfluss auf Fließverhalten, Packungsdichte und Pulverbetthomogenität zu bewerten. Hierfür wurde eine quantitative Methode zur Bestimmung der Pulverbetthomogenität entwickelt, die eine belastbare Bestimmung minimaler Schichthöhen und geeigneter Auftragssysteme ermöglicht. Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere bei Schichthöhen unter 300 µm der Einsatz eines Walzensystems zur Erzeugung homogener Pulverschichten erforderlich ist. Parallel zur materialseitigen Untersuchung erfolgte die Weiterentwicklung der UKP-SLS-Anlagentechnik. Dazu wurden Anpassungen am optischen Aufbau, Schutzmaßnahmen für den Strahlengang sowie Modifikationen zur Strahlaufweitung realisiert, um die Intensitätsbelastung optischer Komponenten zu reduzieren und die Prozessstabilität zu erhöhen. Erste Prozessversuche demonstrieren die Möglichkeit der lokalen Verdichtung keramischer Pulverschichten und zeigen materialspezifische Unterschiede im Sinterverhalten. Während Aluminiumoxid aufgrund hoher Wärmeleitfähigkeit nur begrenzt skalierbare Verdichtungseffekte zeigte, konnten für Zirkonoxid durch geeignete Parameterwahl und Defokussierung des Laserstrahls erste endkonturnahe Probekörper hergestellt werden. Ergänzend wurden alternative additive Fertigungsverfahren wie stereolithografische Verfahren und filamentbasierte Prozesse untersucht, um weitere Wege zur Herstellung keramischer Bauteile zu erschließen. Insgesamt liefern die Ergebnisse wichtige Grundlagen für die Definition materialspezifischer Prozessfenster und tragen zur Stabilisierung der Prozesskette der additiven Fertigung keramischer Hochleistungswerkstoffe bei.