Laser ProFusion
Laser ProFusion ist eine Marke der EOS GmbH und bezeichnet ein 3D-Druck-Verfahren, das physikalisch mit dem Lasersinter-Verfahren (auch Selektives Lasersintern , Selektives Laserschmelzen) verwandt ist. Im Unterschied zu diesem verwendet es nicht einen (oder einige wenige) Infrarot-Laser, der durch einen Galvanometer-Scanner in Verbindung mit Linsensystemen auf einem relativ weit entfernten Baufeld fokussiert und positioniert wird, sondern eine Zeile aus sehr vielen einzeln ansteuerbaren Laser-Dioden, die senkrecht zur Zeilen-Ausdehnung in kurzem Abstand über das Baufeld verfahren wird. Während der Überfahrt werden die einzelnen Laser-Dioden gemäß der zu belichtenden Schichtdaten angesteuert.
Das Verfahren wurde von Thomas Mattes (et.al.) konzipiert und als Projektleiter exklusiv für die Firma EOS in einem Joint Venture mit Philips Photonics GmbH Aachen (vormals Philips Technologie GmbH, inzwischen von Trumpf akquiriert) entwickelt. In dieser Konstellation läuft die Weiterentwicklung zur Produktreife, die für 2021 angekündigt ist. EOS positioniert das Verfahren über hohe Produktivität, niedrige Bauteil-Produktionskosten und attraktive Total Cost of Ownership (TCO).
Verfahren
Bei den im Laser ProFusion-Verfahren verwendeten Laserdioden handelt es sich um Oberflächenemitter oder VCSEL (Vertical-Cavity-Surface-Emitting Laser). Deren Vorteile gegenüber Kantenemittern sind neben den attraktiven Herstellkosten, einer guten Strahlqualität und hoher Lebensdauer die Möglichkeit sie in 2 dimensionalen Arrays zu fertigen. Im Kontext der additiven Fertigung lassen sich solche Arrays so auslegen, dass die Wahrscheinlichkeit für deren Ausfälle über Jahre und selbst unter Berücksichtigung der hohen Anzahl von Arrays pro Zeile vernachlässigbar klein wird. Die im Laser ProFusion-Verfahren verwendeten VCSEL-Arrays setzen sich aus etwa 300 Einzel-Emittern zusammen. Ausfälle einzelner Emitter innerhalb eines Arrays sind daher unkritisch für den Druck-Prozess.
32 solcher Arrays mit einer Ausgangsleistung von je 1 - 2 W werden bei der Laser ProFusion-Technologie zu einem Modul zusammengefasst, von denen 100 – 300 in dem Zeilenbelichter präzise zueinander positioniert und durch mehrstufige Linsensysteme auf die Bildebene fokussiert werden.
Die Fokusse der Arrays sind rechteckig mit 100 µm Ausdehnung in Zeilenrichtung und 140 µm in Verfahrrichtung und erzeugen eine homogene Linien-Intensität ohne energetische Lücken oder Überlappbereiche.
Technologie-immanent ist die Schichtzeit nicht von der Teilebelegung abhängig. Insbesondere für hochgefüllte Bauaufträge sind mit dem Laser ProFusion Verfahren daher Anlagen-Produktivitäten von bis zu 10 kg Bauteile pro Stunde möglich.
Die Leistungsabgabe der VCSEL-Arrays ist hochdynamisch modulierbar, was Antialiasing und simultane Nutzung der Laserleistung zur Werkstoff-Temperierung ermöglicht.
Links
Invited plenary paper presented at ICALEO, Oct. 22, 2015 in Atlanta, USA: Modular VCSEL Solution for Uniform Line Illumination in the kW Range: http://www.photonics.philips.com/pdf/ICALEO%202015%200587-000317.pdf
Philips Photonics GmbH Aachen: http://www.photonics.philips.com/
VCSEL Array Technology: http://www.photonics.philips.com/technology/philips-vcsel-array-technology-for-high-power-applications
EOS-Technologie-Video: https://www.eos.info/systems_solutions/plastic/laserprofusion
Patentschrift: https://patents.justia.com/patent/20160279707