Das Konsortium im Rahmen des EU-Projektes InShaPe hat in den letzten drei Jahren einen neuen Ansatz zur Prozessoptimierung entwickelt. KI-gesteuerte Strahlformung wird dabei mit multispektraler Bildgebung (MSI) bei dem additiven Fertigungsprozess des pulverbett-basierten Schmelzens von Metallen (PBF-LB/M) kombiniert. Ziel des Projektes war es, Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit dieses Fertigungsverfahrens deutlich zu verbessern. Die Professur für Laser-based Additive Manufacturing der Technischen Universität München (TUM) koordinierte das Projekt und führte es gemeinsam mit zehn weiteren Partnern aus acht Ländern durch. Die Europäische Union förderte InShaPe mit 7,2Mio.€ aus dem Rahmenprogramm ‚Horizon Europe‘.
Den Projektpartnern von InShaPe ist es gelungen, die Produktivität des PBF-LB/M-Prozesses erheblich zu steigern. Bei verschiedenen industriellen Anwendungen erreichten sie Produktivitätssteigerungen von über 600 Prozent (6,2 x), einschließlich Fertigungsraten von bis zu 93,3 cm³/h bei Inconel 718-Bauteilen. Gleichzeitig konnten die Kosten um 50% reduziert werden. Die Innovation der Strahlformung und der multispektralen Bildgebung (MSI) demonstrierten die Projektpartner an fünf industriellen Anwendungsfällen: ein Impeller für die Luft- und Raumfahrt (Inconel 718), ein industrielles Gasturbinenteil (Inconel 718), ein Teil einer Raumfahrtbrennkammer (CuCrNb), ein Zylinderkopf eines Kettensägenmotors (AlSi10Mg) und Komponenten von Satelliten-Antennen für die Raumfahrt-Kommunikation.
Die intelligente Strahlformung und multispektrale Bildgebung arbeiten eng zusammen, um den additiven Fertigungsprozess deutlich zu verbessern. Das Laserstrahlprofil wird bauteilspezifisch angepasst, wobei Geometrie und Material gezielt berücksichtigt werden. Das verbessert die Qualität des Bauteils und ermöglicht eine schnellere Verarbeitung, da Fehler wie Risse oder Spritzer und Kondensatbildung reduziert werden, die sonst Nacharbeit und/oder Ausschuss verursachen. Als besonders vorteilhaft für vielfältige Anwendungen hat sich ein ringförmiges Strahlprofil in Verbindung mit optimierten Scanning-Strategien erwiesen. Dabei wird die Laserenergie gezielt nicht mittels Gaußprofil, sondern über eine ringförmige Intensitätsverteilung eingebracht, um so das Schmelzbad zu erzeugen. Dies führt zu einer stabileren Schmelzzone und einer gleichmäßigeren Materialbearbeitung.
Parallel dazu erfasst die neue multispektrale Bildgebung Signale in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen und überwacht den PBF-LB/M-Prozess in Echtzeit. So lassen sich thermische Veränderungen im Schmelzbad frühzeitig erkennen. Die erfassten Daten fließen direkt in die Prozessregelung ein. Fehler, die früher zu Produktionsunterbrechungen oder Nacharbeit führten, können nun behoben werden, wodurch der Prozess ohne große Verzögerungen weiterlaufen kann.
