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10.02.2020

Laser aus dem 3D-Drucker

Generative Fertigung optischer, thermaler und struktureller Komponenten

Spannungsfrei eingedruckte Optik für den Einsatz im 3D-gedruckten Lasersystem (© LZH)

Spannungsfrei eingedruckte Optik für den Einsatz im 3D-gedruckten Lasersystem (© LZH)

Am 19. November 2019 stellten die vier Partner im Innovationsverbund „Grotesk – Generative Fertigung optischer, thermaler und struktureller Komponenten“ Forschungsansätze vor, mit denen sich optische Systeme mittels 3D-Druck herstellen lassen. Das Ziel des Teams von der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover (LUH), vom Clausthaler Zentrum für Materialtechnik (CZM), der Hochschule Hannover (HsH) und vom Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ist es, optische Systeme digital zu konstruieren und Baugruppen mittels additiver Fertigung zu realisieren. Bereits drucken können die Forscherinnen und Forscher innere Strukturen zur verbesserten Kühlung eines Lasers. Mit einem digitalen Zwilling simuliert das Team an der LUH die thermomechanischen Eigenschaften eines 3D-Bauteils und kann den Fertigungsprozess so im Vorfeld modellieren. Effizientere Kühlsysteme ermöglichen höhere Ausgangsleistungen ohne thermische Einbußen – eine Grundvoraussetzung für leistungsstärkere Lasersysteme.

Knackpunkt sind jedoch oft die Werkstoffeigenschaften. „Wir müssen Werkstoffe klug auswählen und Eigenschaften wie etwa den Schmelzpunkt und die Oberflächeneigenschaften gezielt einstellen“, betonte Prof. Dr.-Ing. Volker Wesling (CZM). Besonderes Augenmerk legt das CZM auf die Anbindung beim direkten Andruck eines Werkstoffs an eine Optik und die dabei entstehenden thermischen Einflüsse. Durch die hohe thermische Belastung in diesem Prozess kann es zu erhöhten Spannungen kommen, die mitunter zum Bruch der Optik führen. Mit angepassten Werkstoffsystemen lässt sich dies jedoch verhindern.

Häufig bestehen optische Systeme auch aus verschiedenen Werkstoffarten. „Wir drucken Metall, Glas und Polymere und möchten die Materialien mit wenig Aufwand wechseln können“, erklärte Prof. Dr.-Ing. Henning Ahlers (HsH) die Herausforderung an die Systemtechnik. Die Lösung: Ein Koaxialkopf zum Laserauftragschweißen, bei dem der Laserstrahl geteilt und später wieder zusammengeführt wird. So lässt sich das Bauteil richtungs‧unabhängig bearbeiten, und die verschiedenen Materialien können flexibel und automatisiert zugeführt werden.

„Noch sind wir weit entfernt von der automatisierten Laserherstellung“, räumte Dr. Dietmar Kracht vom LZH ein. „Aber die vorgestellten Konzepte tragen wesentlich dazu bei, dass wir viele Systeme zukünftig automatisiert fertigen können.“ Optiken spannungsfrei direkt in ein Medium eindrucken kann das LZH-Team bereits. Dieser Vorgang lässt sich automatisieren und so ein manueller Schritt bei der Laser‧assemblierung einsparen. In Zukunft will der Forschungsverbund ganze Lasersysteme digital konstruieren und ausdrucken.

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