Wie erschließt der Faserlaser das Metall-3D-Druckverfahren? Enthüllung von Hochleistungs-Kerntechnologien

Wenn es um 3D-Druck , haben Sie vielleicht schon einmal Kunststoffspielzeug oder Harzfiguren gesehen, aber wussten Sie, dass heute sogar Titanlegierungsbauteile für die Luft- und Raumfahrt sowie kundenspezifische dentalmedizinische Implantate in einem Arbeitsgang mit „Lasern“ gedruckt werden können? Hinter diesem Verfahren steht die zentrale Leistungsfähigkeit von Hochleistungs-Faserasern. Warum können sie zum „Kernmotor“ von 3D-Druck von Metallen werden? Und wie gelingt es ihnen, hohe Leistung mit hoher Präzision zu kombinieren? Heute tauchen wir ein in die integrierte Welt der Faserlaser und des 3D-Drucks und erläutern die Schlüsseltechnologien.

I. Faserlaser + 3D-Druck: Neugestaltung der Metallteilefertigung

Die traditionelle Metallverarbeitung basiert auf Formen und Schneidverfahren. Komplexe Strukturen erfordern oft mehrere Montageschritte, die zeitaufwändig sind und zu erheblichem Materialabfall führen (die Materialausnutzung beim traditionellen Schneiden liegt unter 30 %). Der Faserlaser-3D-Druck (vertreten durch das Selective Laser Melting, SLM) kehrt dieses Modell vollständig um – er verwendet Metallpulver als Rohmaterial, und ein Hochleistungsfaserlaser schmilzt das Pulver Schicht für Schicht entlang einer vorgegebenen Bahn. Nach dem Abkühlen stapeln sich die Schichten zu einem dreidimensionalen Bauteil. Der gesamte Prozess benötigt keine Formen, ähnlich wie „mit Licht auf Metallpulver zeichnen, nach jeder Schicht neues Pulver auftragen und stapelweise bis zur Fertigstellung aufbauen.“

Die Vorteile dieser Technologie werden durch Hochleistungs-Faseraser unterstützt: Sie erzeugen Laserstrahlen von äußerst hoher Qualität mit geringen Divergenzwinkeln und homogenen Strahlflecken (minimale Fokusgröße bis zu 0,1 mm), wodurch eine präzise Reproduktion feiner Bauteilstrukturen ermöglicht wird, wie beispielsweise komplexer Kühlkanäle in Turbinenschaufeln oder hochpräziser Zahnradverzahnungen. Gleichzeitig ist ihre Leistung über einen weiten Bereich regelbar (von mehreren hundert Watt bis hin zu mehreren Kilowatt), sodass sie Metallbleche ab einer Dicke von 0,1 mm bearbeiten und bis zu 50 mm dicke Edelstahlplatten schmelzen können. Noch wichtiger ist, dass Faseraser eine elektro-optische Wirkungsgrad von 25 % bis 30 % aufweisen und eine deutlich bessere Wärmeabfuhr als herkömmliche YAG-Laser bieten. Selbst längere Druckphasen beeinträchtigen die Präzision nicht durch Überhitzung, wodurch sie ideal für den Luft- und Raumfahrtbereich, die Medizintechnik und andere Bereiche mit strengen Anforderungen an die Bauteilqualität sind.

II. Vom Labor in die Industrie: Praktische Anwendungen des 3D-Drucks mit Faserasern

Heute hat der Faserlaser-3D-Druck die technische Konzeption verlassen und ist in mehrere hochwertige Bereiche vorgedrungen, wo er Herausforderungen löst, die mit herkömmlichen Verfahren nicht zu bewältigen waren, und sich dabei als ein „neues Werkzeug“ für die hochwertige Fertigung etabliert hat.

Im Luft- und Raumfahrtbereich hat die Universität Beihang mittels Faserlaser-3D-Druck große tragende Hauptkomponenten aus Titanlegierung für Flugzeuge hergestellt, wodurch das Bauteilgewicht um 30 % reduziert und die Festigkeit um 15 % gesteigert wurde. Die Nordwestliche Polytechnische Universität druckte sogar den zentralen Flügelanschluss für das chinesische Großflugzeug C919 und durchbrach damit ausländische technologische Monopole, wodurch die chinesische Luftfahrtindustrie von importierten Formen unabhängig wurde.

In der Gesundheitsversorgung können maßgeschneiderte Zahnimplantate und künstliche Gelenke über das Faserlaser-3D-Druckverfahren „bedarfsgerecht hergestellt“ werden. Auf Basis der CT-Daten eines Patienten steuert der Laser präzise den Schmelzbereich von Titanlegierungspulver, wodurch sichergestellt wird, dass das Implantat perfekt mit dem Alveolarknochen abschließt, chirurgische Risiken verringert und Behandlungszyklen verkürzt werden (herkömmliche maßgefertigte Implantate benötigen 1 Monat, während der Faserlaser-3D-Druck lediglich 3 Tage braucht).

In der Automobilfertigung können traditionelle Verfahren keine komplexen inneren Strukturen für die Kühlkanäle des Motorzylinderkopfs erzeugen, doch der Faserlaser-3D-Druck stellt sie in einem Arbeitsgang her, verbessert die Kühlleistung um 20 %, reduziert das Bauteilgewicht und trägt so zur Leichtbauweise bei, um den Energieverbrauch zu senken.

III. Ausblick: Der Faserlaser-3D-Druck wird noch „stärker“ werden

Derzeit können Hochleistungs-Faseraser eine kontinuierliche Ausgabe von 2 kW aus einer einzelnen Faser erzielen, und durch die Bündelung mehrerer Fasern kann eine Leistung von über 10 kW erreicht werden. Künftige Verbesserungen werden sich auf zwei Richtungen konzentrieren:

Zum einen höhere Präzision – in Kombination mit der Photonik-Kristallfaser-Technologie können Laserflecken weiter auf 0,05 mm reduziert werden, wodurch der Druck mikroskaliger Bauteile wie z. B. Gefäßstents möglich wird, um anspruchsvollere medizinische Anforderungen zu erfüllen.

Zum anderen niedrigere Kosten – durch technologische Durchbrüche bei heimischen Doppelmantelfasern und Halbleiter-Pumpquellen sinken die Herstellungskosten für Faserlaser. Sie werden voraussichtlich vermehrt in kleine und mittlere Unternehmen Einzug halten und den Metall-3D-Druck von „hochwertiger Individualfertigung“ hin zur „Massenproduktion“ verlagern, beispielsweise bei der schnellen Fertigung und Reparatur von Autoteilen und Formen.

Von großen aerospace-Bauteilen bis hin zu winzigen medizinischen Implantaten verändern Hochleistungs-Faseraser die Herstellung von Metallteilen grundlegend. Sie machen die Bearbeitung komplexer Strukturen nicht nur effizienter und präziser, sondern treiben die Produktion auch in Richtung einer „grünen und kundenspezifischen“ Entwicklung voran. In Zukunft werden wir immer mehr „faseroptisch gedruckte“ metallische Bauteile im Alltag finden – kundenspezifische Autobremsscheiben, Haushaltsbeschläge und sogar personalisierter Metallschmuck.