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Jahresbericht 2018 69 Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, www.ilt.fraunhofer.de DQS zertifiziert nach DIN EN ISO 9001, Reg.-Nr.: DE-69572-01 Änderungen bei Spezifikationen und anderen technischen Angaben bleiben vorbehalten. 04/2019. »QUASI-TOP-HAT- SCANSTRATEGIE« FÜR DAS LASERPOLIEREN VON 3D-GEDRUCKTEN KUNSTSTOFFTEILEN 2 Aufgabenstellung Beim Laserpolieren von 3D-gedruckten Kunststoffteilen stellt das Erzielen einer homogenen Glättung der Oberflächen- rauheit eine zentrale Herausforderungen dar. Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffe kann es bei üblichen Laserpolierstrategien (z. B. Mäander mit fokussierter Laserstrahlung und Scangeschwindigkeiten im Bereich 50 - 200 mm/s) sowohl zu Überhitzungen der Oberfläche als auch zu geringen Existenzdauern des Schmelzbads kommen. Dies führt zu langen Prozesszeiten und hat außerdem einen nega- tiven Einfluss auf die resultierende Rauheit der Oberfläche. Vorgehensweise Das Problem wird durch die Erzeugung eines homogenen, konstanten Oberflächentemperaturfelds mithilfe der neu entwickelten »Quasi-Top-Hat-Scanstrategie« und einer Temperaturregelung gelöst. Bei der Quasi-Top-Hat-Scanstrategie wird die gaußförmige Intensitätsverteilung der üblicherweise verwendeten CO 2 - Laserstrahlung defokussiert und mit hoher Scangeschwindig- keit (5 - 10 m/s) in vielen Überfahrten über die zu polierende Oberfläche geführt. Dabei wird die Oberflächentemperatur mittels Pyrometrie gemessen und die Laserleistung so geregelt, dass die Temperatur in der Bearbeitungszone für eine bestimmte Dauer konstant bleibt. Flächen zwischen 1 - 1000 mm² können dadurch zusammenhängend aufgeschmolzen und somit laser- poliert werden. Ergebnis Auf Flachproben des Materials PA12, die mit dem SLS-Ver- fahren (Selective Laser Sintering) hergestellt wurden, konnte gezeigt werden, dass ein Schmelzbad der Größe 10 x 10 mm² an der Oberfläche homogen und mit konstanter Temperatur erzeugt werden kann, ohne dass die Probe verformt wird. Die Rauheit kann so stetig ausfließen, bis die gewünschte Glättung erreicht ist. Typische Rauheiten des SLS-Verfahrens von Ra ≈ 10 µm können auf Ra ≤ 0,5 µm reduziert werden. Mit dem FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling) herge- stellte Proben aus PEEK konnten von Ra ≈ 15 µm auf Ra ≤ 1 µm geglättet werden. Anwendungsfelder Das Laserpolieren von 3D-gedruckten Kunststoffteilen kann z. B. in Branchen wie der Automobilindustrie, der Energie- oder Medizintechnik Verwendung finden und stellt dort ein großes Potenzial dar. Ansprechpartner Karsten Braun M.Sc. Telefon +49 241 8906-645 [email protected] Dr. Edgar Willenborg Telefon +49 241 8906-213 [email protected] 2 SLS-gefertigtes Bauteil aus PA12, Ausgangszustand (re.), laserpoliert (li.).
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68 Jahresbericht 2018 Jahresbericht 2018 69Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, www.ilt.fraunhofer.de
DQS zertifiziert nach DIN EN ISO 9001, Reg.-Nr.: DE-69572-01
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, www.ilt.fraunhofer.de
DQS zertifiziert nach DIN EN ISO 9001, Reg.-Nr.: DE-69572-01
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2019
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»QUASI-TOP-HAT- SCANSTRATEGIE« FÜR DAS LASERPOLIEREN VON 3D-GEDRUCKTEN KUNSTSTOFFTEILEN
2
Aufgabenstellung
Beim Laserpolieren von 3D-gedruckten Kunststoffteilen
stellt das Erzielen einer homogenen Glättung der Oberflächen-
rauheit eine zentrale Herausforderungen dar. Durch die
geringe Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffe kann es bei
üblichen Laserpolierstrategien (z. B. Mäander mit fokussierter
Laserstrahlung und Scangeschwindigkeiten im Bereich 50 -
200 mm/s) sowohl zu Überhitzungen der Oberfläche als auch
zu geringen Existenzdauern des Schmelzbads kommen. Dies
führt zu langen Prozesszeiten und hat außerdem einen nega-
tiven Einfluss auf die resultierende Rauheit der Oberfläche.
Vorgehensweise
Das Problem wird durch die Erzeugung eines homogenen,
konstanten Oberflächentemperaturfelds mithilfe der neu
entwickelten »Quasi-Top-Hat-Scanstrategie« und einer
Temperaturregelung gelöst.
Bei der Quasi-Top-Hat-Scanstrategie wird die gaußförmige
Intensitätsverteilung der üblicherweise verwendeten CO2-
Laserstrahlung defokussiert und mit hoher Scangeschwindig-
keit (5 - 10 m/s) in vielen Überfahrten über die zu polierende
Oberfläche geführt. Dabei wird die Oberflächentemperatur
mittels Pyrometrie gemessen und die Laserleistung so geregelt,
dass die Temperatur in der Bearbeitungszone für eine bestimmte
Dauer konstant bleibt. Flächen zwischen 1 - 1000 mm² können
dadurch zusammenhängend aufgeschmolzen und somit laser-
poliert werden.
Ergebnis
Auf Flachproben des Materials PA12, die mit dem SLS-Ver-
fahren (Selective Laser Sintering) hergestellt wurden, konnte
gezeigt werden, dass ein Schmelzbad der Größe 10 x 10 mm²
an der Oberfläche homogen und mit konstanter Temperatur
erzeugt werden kann, ohne dass die Probe verformt wird.
Die Rauheit kann so stetig ausfließen, bis die gewünschte
Glättung erreicht ist. Typische Rauheiten des SLS-Verfahrens
von Ra ≈ 10 µm können auf Ra ≤ 0,5 µm reduziert werden.
Mit dem FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling) herge-
stellte Proben aus PEEK konnten von Ra ≈ 15 µm auf Ra ≤ 1 µm
geglättet werden.
Anwendungsfelder
Das Laserpolieren von 3D-gedruckten Kunststoffteilen kann
z. B. in Branchen wie der Automobilindustrie, der Energie-
oder Medizintechnik Verwendung finden und stellt dort ein
großes Potenzial dar.
Ansprechpartner
Karsten Braun M.Sc.
Telefon +49 241 8906-645
Dr. Edgar Willenborg
Telefon +49 241 8906-213
2 SLS-gefertigtes Bauteil aus PA12,
Ausgangszustand (re.), laserpoliert (li.).
