Suche nach der Schmelz-
formel 
3-D-Metalldruck ist doch ganz einfach – könnte man meinen. Dem ist nicht so. Denn viele Details sind noch völlig unbekannt. Patrik Hoffmann ist dem Geheimnis auf der Spur.
Text: Amanda Arroyo / Bilder: Empa
E
igentlich ist es doch nur eine einzige, lange Schweissnaht.» Patrik Hoffmann spricht vom Additive Manufacturing, dem Verschmelzen von Metallpulver mit einem Laser. Und vom Schweissen versteht der Forscher einiges. Patrik Hoffmann ist Leiter der Empa-Abteilung «Advanced Materials Processing» in Thun und lehrt nebenbei an der EPFL schon seit fast 20 Jahren das Fach «Laserbearbeitung». Er und sieben Mitarbeiter aus seiner Abteilung haben sich zum Ziel gesetzt, das Additive Manufacturing verlässlicher zu machen.
«Bei der Laser-Material-Wechselwirkung weiss noch keiner, was wirklich passiert», sagt selbst der Experte. Man erkennt beim genauen Hinsehen, nachdem das Werkstück fertig aufgebaut ist, dass da Material geschmolzen ist, und man kann sich auch vorstellen, dass das Volumen des ursprünglich losen Pulvers kleiner geworden ist. Doch wie viel vom Material verdampft und wegspritzt, ist noch nicht ganz klar. Hoffmann ist überzeugt, dass es dafür eine Formel gibt. Und genau diese auszutüfteln ist schwierig, denn der Prozess ist hochdynamisch und nicht linear.
Um den Einfluss der Prozessparameter wie Laserleistung, Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls oder Fokusdurchmesser besser verstehen zu können, nutzt Hoffmann eine an der Empa selbst konstruierte Forschungslaseranlage. In seiner Anlage  kann er mit Hilfe von Kameras und Mikrofonen den Verlauf des Laserschweissens nachvollziehen. 

Laserbearbeitung: Eine sprunghafte 
Sache
Laserbearbeitung ist eine verzwickte und recht sprunghafte Sache: Wenn jemand aus Hoffmanns Forschungsteam den Laser mit einer gewissen Leistung auf eine Goldoberfläche fokussiert, passiert zunächst einmal nichts. Das Licht wird reflektiert, nur ein Prozent der eingestrahlten Energie fliesst ins Material. «Wenn ich da reingucke, werde ich schon blind, bevor das Gold überhaupt warm wird», sagt Hoffmann. Regelt man die Laserleistung hoch, so kommt man an einen Punkt, an welchem das Gold so warm wird, dass es zu schmelzen beginnt. Im geschmolzenen Zustand reflektiert Gold viel weniger des Lichts, und plötzlich nimmt das Mate-rial so viel Energie auf, dass ein Teil davon gleich verdampft. Das kann man nicht verhindern. Je mehr des Goldes jedoch verdampft wird, umso dichter wird der Dampf über dem Werkstück, und die Laserstrahlung kann nicht mehr durchdringen. Dieser Abschirmeffekt durch Dampf wird Shielding genannt.
Hoffmann und sein Team messen mit Hochgeschwindigkeitskameras, wie der Metalldampf entweicht und wo Tröpfchen wegfliegen, und sie untersuchen die Geschwindigkeit der kleinen Druckwelle, die vom Laser erzeugt wird. Daneben wird der Prozess auch akustisch verfolgt. Dabei werden drei Mikrofone am Prüfkörper befestigt, welche dann die Signale des Schweissens erfassen. Wenn beim Schweissen etwas schiefläuft, kann man das hören. 
Zusätzlich vermessen die Empa Wissenschaftler das Schmelzbad, das der Laser im Metall erzeugt. Während der Schmelzbaddurchmesser sich recht einfach optisch messen lässt, muss für die Ermittlung der Schmelzbadtiefe der Prüfkörper im Nachhinein aufgeschnitten werden. 
Im Schnittbild eines Prüfkörpers, der im Additive Manufacturing (AM) entstanden ist, erkennt man nicht nur das horizontale Wachstum jeder aufgebauten Metallschicht. Darüber hinaus lässt sich auch noch senkrechtes Kristallwachstum durch die Schichten hindurch beobachten. «Eigentlich ist das nicht erstaunlich, wenn man etwas von Metallurgie versteht», sagt Hoffmann. Die einzelnen Schichten werden bei solch einem Fertigungsprozess bis zu zehnmal aufgeschmolzen. So können Kristalle entstehen, die sich über mehrere Schichten erstrecken. 
Ein weitere Herausforderung stellt sich: Weil Metall Wärme bekanntlich sehr gut ableiten kann, erkaltet das geschmolzene Material sehr schnell, was man einerseits für die Herstellung neuer Materialien nutzt, etwa für pulververstärkte ODS-Legierungen (ODS=oxide dispersion strengthened). Die schnellen Abkühlraten können andererseits auch zu Spannungen und Rissen im Material führen und produzierte Werkstücke unbrauchbar machen.

Vom Kompetenzzentrum zur 
vollständigen Kontrolle
Um dieses Puzzle von Verständnis des Prozesses, von den  Eigenschaften des Materials und den Eigenspannungen lösen zu können, will Hoffmann nun verschiedenste Fachkräfte hinzuziehen. Damit alle Seiten abgedeckt sind, benötigt er Physiker, Festkörperchemiker, Mechaniker, Akustiker, Metallurgen, Spektroskopie-Spezialisten, Elektroniker und Experten für Computersimulation.
Fernziel der Forschungsarbeit ist eine so genannte Closed-Loop-Prozesskontrolle, bei welcher sämtliche Vorgänge beim Laserschweissen beziehungsweise Additive Manufacturing in Echtzeit überwacht werden. Wenn irgendetwas falsch läuft, muss die Steuerung den Laser sofort automatisch korrigieren, damit das gewünschte Bauteil ohne innere Materialfehler, ohne Spannungen und Risse aus dem Herstellungsprozess herauskommt. Bis zur Traumfabrik, die virtuelle Konstruktionsdaten schluckt und perfekt geformte, einbaufertige Metallteile ausspuckt, seien für die internationale Forschergemeinde noch einige Hürden zu meistern, meint Patrik Hoffmann. Mit seinem Team will er dazu beitragen, dass die Vision einer 3-D-Druck-Fabrik am Ende wahr wird. //

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Eine Kette, fabriziert im 
Additive-Manufacturing-
Verfahren (AM): 
Die Kettenglieder sind 
ineinander gefügt und dennoch in einem Stück 
gefertigt. 
Design und Herstellung: 
La Manufacture CSC.

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Patrik Hoffmann an der selbst konstruierten Forschungslaseranlage, 
an deren Gehäuse sich 
Kameras, Mikrofone und Massenspektrometer 
anschliessen lassen. So 
kann Hoffmann die Wech-
selwirkung von Laser und 
Metallpulver genau 
analysieren.

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Ein Uhrengehäuse, 
produziert im AM-Verfahren. Links der Rohling, mit einer Stützkonstruktion unter 
dem Ring, die später heraus-
gebrochen wird. Rechts 
das fertig bearbeitete Werkstück.
Design und Herstellung: 
La Manufacture CSC. 

Schnell? Oder doch lieber langsam?
Beim Pulverbett-Verfahren (SLM) kommt es darauf an, langsam genug zu produzieren. Links: Der Laser erzeugt einen Pool geschmolzenen Metalls, der kontrolliert erstarrt. Rechts: Der Laser trifft auf Metallkörner. Manche verdampfen, andere schmelzen unvollständig. Poren und Einschlüsse im Werkstück sind die Folge.