SLM Drucker

[BenQ]

Hallo zusammen,

ich plane aktuell den Bau eines SLM-Druckers welcher Al "drucken" soll.
Ich habe mich da schon einiges angelesen und die meisten Punkte sind "relativ" einfach zu lösen, bzw es sind Ideen da um diese zu lösen.
Eins vorweg: ich bin selbst Naturwissenschaftler/Ingenieur und weiß somit über die Gefahren bescheid und kann auch den Aufwand des Projektes abschätzen.
Um die benötigte Laserleistung zu reduzieren und um ein Verziehen das Bauteils zu minimieren/verhindern wird das Bauteilbett selbst beheizt.
Eine Inertissierung auf <500 ppm O2 stellt kein Problem dar und mit N2 (keine Bande in der bevorzugten Wellenlänge) auch relativ günstig zu lösen.
Jetzt zum optischen Teil und somit auch der Part wo es noch die größten Fragezeichen gibt.
In einigen Selbstbauvideos sieht man wie die Leute mit einfachen Chinalasern und einer Leistung von <100 Watt schonmal Metallpulver geschmolzen bekommen. Da diese aber weder eine gute Fokusierung haben noch m.E. die richtige Wellenlänge benutzen ist es Qualitativ und quantitativ eher mäßig.
Meine Idee wäre ein Nd:Yag-Laser, welcher mittels 808nm-Dioden gepumpt wird. Gründe hierfür sind:
-optimale Wellenlänge im NIR-Bereich (1064 nm)
-relativ einfach hochskalierbar (mehr Dioden und mehr Kühlung)
-bessere Effizeinz als mit Blitzlampen

Jetzt die Fragen:
Den Drucker als XY aufbauen oder bekommt man mit Galvo-System und einem schnell nachfahrenden Fokus auf ein Druckbett von ca. 200x600 noch einen brauchbaren Fokus hin?
Zum Aufbau der Laserbank stelle ich es mir wie folgt vor: mehrere Fasergekoppelte 808 nm Laser (Viktor hatte da wohl einiges gemacht) welche auf den ND:YAG fokusiert sind, dann der Kristall (in eimen gekühltem Reflektor) und anschliesend die Fokusiereinheit + ggf das Galvo-System (welches wohl auch gekühlte Spiegel braucht.

Gruß
Marc

[VDX]

Hi Marc,

als ich damit vor etwa 14 Jahren angefangen hatte, hatte ich fasergekoppelte NIR-Laserdioden mit 975nm und 5Watt aus einer 0.1mm-Faser -- bald danach hatte ich noch mehr von den Dioden mit 9Watt, noch etwas später ein paar mit 25 und 30 Watt.

Wegen der Wellenlänge eignen die sich nicht für NdYAG, so daß ich damit "direkte" Anwendung agefangen hatte (Gravieren, Schneiden, Schmelzen/Sintern) -- wegen der relativ geringen Leistung immer mit Planung für mehrere von den Dioden in Kombination.

Heute habe ich Einzelmodule mit 200 und 270Watt, die auf etwas unter 0.2mm fokussiert werden können, aber nur, wenn mit kurzer Brennweite direkt fokussiert, also nicht für Galvo geeignet.

Für Galvos habe ich noch Faserlaser mit 50 bis 130 Watt CW-Laserleistung, damit ließe sich auch noch über den Galvo ein Spot von etwa 0.03mm erzeugen, allerdings nur für Scanflöchen bis 200x200mm.

Um das mit Galvos für größere Flächen zu ermöglichen, gehe ich da auch einen anderen Weg - eher Galvos mit kleinerer Scan-Fläche (gibts bis runter zu 35x35mm mit dann auch kleinerem Spot von 0.01mm!!), die in eine XY-Anlage reingesetzt werden, welche dann den "großen" Bereich abfährt -- dafür habe ich z.B. mit BeamConstruct von HAlaser eine Software, welche größere Dateien (auch 3D für SLS/SLM!) in kleine "Kacheln" aufteilt, wobei der Galvo schnell über die Kachel scannt, dann die XY-Anlage den Galvo zur nächsten Kachel fährt.

Wäre also zu überlegen, ob mit Galvo+XY mit Faserlaser (oder gepumptem NdYAG), oder nur mit XY(Z) und einer oder mehreren von den 200W/270W-Dioden ...

Viktor

[BenQ]

na das geht ja fix.

das Problem ist bei einem Plotteraufbau und kurzer Brennweite, dass man ordentlich kühlen muss.
Die Wärmestrahlung von dem aufgeheiztem Bett in Kombination mit der grossen Oberfläche des gesamten Lasersystems (was ja dann in den Bauraum muss) braucht einiges an Kühlmedium (Ich muss wohl aus Frankfurt in die Berge umziehen, an einen eiskalten Bergbach)

0,2 mm klingt nicht schlecht, da man dann mit einem fixen Fokus arbeiten würde dies auch die Mechanik um einiges vereinfachen. Dafür muss ich mir dann überlegen wie ich die Antriebe aus dem Bauraum bringe, kein mir bekannter Antrieb hält diese Bedingungen lange durch.
Mal so ganz unter uns: mit welchen Beträgen muss man denn für solch ein Modul rechnen?

Habe auch noch ein alternatives Konzept, was es aber m.E. so noch nicht gibt. Es wäre ähnlich dem WAAM-Prinzip, nur anstatt mit einem Lichtbogen wird der Draht mit einem Laser aufgeschmolzen. Ein Vorteil daran wäre man könnte echten Leichtbau machen mit geschlossenen Wabenstrukturen, man hat kaum ein Problem mit dem Verziehen des Werkstückes und im Gegensatz zu einem Lichtbogen sollte es auch ein sauberer Druck werden. Nachteil wird wahrscheinlich seien, dass man mehr nacharbeiten muss und ggf mehr Stützstrucktuen einbauen muss. Je nachdem wie schwer das Lasersystem ist, könnte ich meinen Roboter sogar dafür benutzen Payload sollte halt <4 kg seien. Wäre aber ne coole Anwenung für den.

EDIT: Damn it. grad gesehen dass ich garnicht so inovativ bin https://www.iws.fraunhofer.de/de/techno ... issen.html

[VDX]

... die Laserdioden selber gibt es zur Zeit für 300€ bei ebay - die werden aus defekten 6kW-Faserlasern ausgebaut.

Ein Freund entwickelt gerade einen wassergekühlten Treiber und ich warte darauf, daß er mir einen zum Ausprobieren zuschickt -- die "Selbstkosten" düeften dann um die 500€ liegen - kommerziell verkaufen will ich sowas nicht -- zuviel Umstand mit Gewährleistung und Gefährdungsbeurteilung

Sein Modul schaut so aus:

153202847_3755986647787906_2701661802834187473_n.jpg

Für mich selber wollte ggf. ich auch was in Richtung Draht-Aufschmelzen bauen -- die "Vorheizung" nicht per beheiztem Bett, sondern mit 2 oder mehr auf etwa 5-15mm "aufgeweiteten" Dioden, dann den Draht selber mit einer fokussierten Diode aufschmelzen -- hatte dafür mal testweise eine Art "Todesstern"-Aufbau mit 6 blauen 1.5W-Dioden (als die ersten Beamys verfügbar waren) aufgebaut ... inzwischen habe ich blaue Dioden bis 6W und eben die fasergekoppeten IR-Dioden bis 30W ... oder die verschiedenen "direkt-fokussierten" Dioden mit Leistungen bis 270W (eine evtl. bis 400W? - zumindest pulsleistungen bis 500W).

Das mit dem "Vorheizen" geht bei Pulverbett auch -- Diode großer Fleck zum "vorheizen", Faserlaser (0.02mm Spot) in die Mitte - das läßt sich auch durch ein Glasfenster mit etwa 30mm "Luft" darunter fürs Pulver-Aufschichten machen.

Hab' noch ein alternatives Konzept für einen "Endlos-Druck" mit Pulverbett, wo das Aufschichten praktisch automatisch "im Hintergrund" erfolgt, wo ich das mal ausbauen will -- das ist aber auch schon mehr bzw. von der Software her etwas aufwändiger, als übliche Bastelprojekte

Viktor

[BenQ]

das Ding sieht ja fancy aus.
Die blauen Laser wären gut geeignet für Stahl/Edelstahl und wahrscheinlich auch um einiges günstiger, Aluminium hat in dem Bereich weniger Absorption. Für Al sollte man sich so knapp unter 1000 nm bewegen, dann hat man wenigstens 15 %.
Interessant wäre auch mal die Bande von Titan, aber da ist der Draht unwahrscheinlich teuer und somit nur für kleine Objekte finanzierbar.
Man müßte sich mal einen kleinen Teststand aufbauen um zu schauen welche Leistung man braucht um eine vernünftige Verfahrgeschwindigkeit realisieren zu können. Ich dachte da an einen einfach Aufbau mit nur 2 Achsen x und z.
für den Drahtvorschub könnte man ja einfach einen Extruder modifizieren

[BenQ]

Ich habe es grad mal über den Daumen gepeilt welche Leistung man ca. Braucht und OMG.
Um eine Verfahrgeschwindigkeit von 10 mm*s^-1 zu erreichen (viel niedriger würde ich nicht gehen, ansonsten geht durch die gute Wärmeleitfähigkeit Zuviel Energie verloren), einem Draht von 1 mm Durchmesser bei 600 K Temperaturerhöhung und einer Absorption von 10 % komme ich auf 360 W optischer Leistung. Wahrscheinlich muss man es aber noch verdoppeln da man ja das Bauteil punktuell aufheizt um den Draht zu schmelzen.
Daraus resultiert dann aber auch, vorheizen mit einem Laser wird total ineffizient. Ggf. Sollte man solch einen Aufbau im einem Vakuumtrockenschrank machen, mit verspiegelten Seitenwänden.
Was man auch in Erwägung ziehen sollte wäre die Nozzel vom Draht hochzuheizen, 500 C sollten mit hamdelsüblichen Heizpatronen drin seien.

[VDX]

... beim Drahht-Aufschmelzen brauchts deutlich mehr leistung, als beim Pulver-Sintern per SLS, da du nicht nur den massiven Draht, sondern auch noch die (bereits gedruckte, z.T. massive) Oberfläche darunter auf Schmelztemperatur bringen mußt.

Dafür habe ich auch die 2. (und 3. oder mehr) Diode mit "aufgeweitetem" Fokus vorgesehen und auch eine "milde" Vorheizung des Druckbetts auf etwa 80°C, so daß ich keine Komplett-Einhäusung mit Quarzglasfenstern bräuchte.

Mit dem "blauen Todesstern" hatte ich 6 Stück blaue 1.5W-Dioden zu immerhin noch 9Watt auf einen Fleck von 0.3mm fokussiert:

6xKopf - 9Watt - Blau @445nm.jpg

Aktuell habe ich einen größeren "Todesstern-Aufbau", der für bis zu 12 von den fasergekoppeten 25W oder 30W-Dioden gedacht war, habe dafür aber auch noch 2 blaue 6Watt-Dioden und ein paar mit 3.5Watt ... sowie noch ein "rotes" Modul mit 20Watt@652nm aus einer 0.6mm dicken Bündelfaser ... und noch ein weiteres größeres "blaues" Modul mit 8 Stück 4.5W-Dioden, was knapp 40 Watt Dauer und bis 50Watt kurz/gepulst ausgeben kann.

Für den Drahtvorschub hatte ich mir mal ein kleines Modul fürs Drahtschweißen besorgt, danach aber noch was besseres von Janome bekommen, was zwar für Kunststoff-Filamnet gedacht ist, aber auch gut Metalldraht schieben kann ... hab' mit dem Faserlaser und Drehachse auch die Möglichkeit mir aus einfachen Stahl-Schrauben "mikroverzahnte" Rändelräder herzustellen, die gegen eine Gummirolle ebenfalls für Metalldraht geeignet sind.

Als XY bzw. XYZ-Vorschübe habe ich auch was - 500x500mm in XY bzw. 400x300x120mm in XYZ ... die Versuche hatte ich alle auf einer kleinen Servo-Anlage mit 275x210x210mm mit 0.0025mm Encoder-Auflösung und bis 100mm/s Vorschub gemacht - damals aber Alles noch mit den CW-Faserlasern mit 60 und 85 Watt ... jetzt hätte ich noch einen 130Watt-CW-Faserlaser dafür da ... und auch diverse Metalldrähte von 0.025mm Stahl. bis 0.8mm Bronze-Draht ... und diverse Metallpulver (auch Titan und Wolfram) -- also mehr als genug "Material" für Versuche/Tests

Viktor

[BenQ]

Mit Extruder meinte ich einen für Kunststoff-Filamente.
Wie ich sehe hast du schon einiges rumgeforscht. Ich bin erst seit ein paar Tagen bei dem Gedanken, da ich Teile von meinem Roboter leichter bekommen muss und GFK oder CFK durch die bedingte chemische Resistenz kaum in Frage kommt

[BenQ]

Die blauen Module bekommt man ja recht leistungsstark bei Ali (keine Ahnung wie die von der Qualität her sind), koppelst du die selbst oder kaufst du dir die bereits gekoppelt in der Bucht zusammen?
80 C sind bei Al schon einiges (ca. 600 C Schmelztemperatur) bei Stahl mit 1600 C fällt das kaum ins Gewicht.
Wenn man das Bauteil selbst auf ca. 200 C bringt und den Draht bereits auf 500 vorheizt könnte man bei Al mit 200 - 300 W (im NIR Bereich) auskommen. Stahl müsste ich nachher mal durchrechnen, da habe ich die Werte nicht im Kopf.
Quarzglasscheiben sind weniger das Problem, kann man ja als „Abfall“ bei Glasgerätebauern bekommen.
Bei so dünnen Drähten die teilweise im Fundus hast kann man irgendwelche Mikro-Teile bauen, aber bei was großem bist du jahrelang am lasern.
Vom Pulverauftrag bin ich im „Hobbybereich“ nicht überzeugt, da du teures Material (sphärische Partikel mit einem Span wahrscheinlich besser 0,7 brauchst) und der Gleichmäßige Pulverauftrag relativ schwer zu regeln ist (Schneckenpumpe wäre da eine Möglichkeit).
Wenn Corona nicht wäre würde ich sagen, wir treffen uns mal auf ein Bier zum Ideenaustausch (wohnst ja quasi nebenan).

[VDX]

... Obacht bei den billigen blauen Lasermodulen aus China!

Die beworbenen Leistungen sind nicht das, was da vorne rauskommt, sondern (etwas übertrieben) da, was das Modul an elektrischer Leistung aufnimmt!!

In einem "15Watt-Lasermodul" steckt z.B. eine auf etwas über 4 Watt übersteuerte 3.5W-Diode ... in einem "20Watt" eine ebenfalls auf etwa 5.5W übersteuerte 4.5Watt-Diode ... in einem "40Watt-Laser" typisch auch eine auf 7Watt übersteuerte 6Watt-Diode

In meinem "40Watt-Modul" steckt eine Laserdiodenbank aus einem Beamer mit 8x 4.5w-Laserdioden, wo die Dioden per Spiegelschnitt Gruppenweise (2x4) "zusammengestapelt" und dann nochmal über Spiegelschnitt zu einem gemeinsamen Strahl zusammengelegt wurden.

Ja, ein Treffen wäre gut! ... müssen wir aber wohl bis Sommer warten, wenn die Inzidenzen "witterungsbedingt" wieder kleiner werden ...

Viktor

[BenQ]

In meinem "40Watt-Modul" steckt eine Laserdiodenbank aus einem Beamer mit 8x 4.5w-Laserdioden, wo die Dioden per Spiegelschnitt Gruppenweise (2x4) "zusammengestapelt" und dann nochmal über Spiegelschnitt zu einem gemeinsamen Strahl zusammengelegt wurden.

Du meinst einmal je 2x4 in X gestapelt und diese beiden dann in Z übereinander gestapelt?
Bei 5er Dioden müsste man doch auch 2 Laser übereinander und leicht versetzt auf einen Spiegel bekommen oder übersehe ich da was? Wenn das funktioniert sollte man aus einem Spiegelschnitt einen Laser mit 6x3 mm (8 Einzelstrahlen mit 2 pro Spiegel) rausbekommen und das zweimal über einen Polwürfel vereinigt werden. Das wären dann bei 4,5 W je Diode zusammen 72 W minus den Verlusten an den Spiegeln, am Polwürfel, an der Linse und beim einkoppeln. Aus dem Bauch raus sollte man denn bei 50 W rauskommen (wirklich nur ein Bauchgefühl) das ganze 4x, dann sollte man genug Leistung haben, um einen vernünftigen Vorschub zu gewährleisten.
Was hälst du von den NUBM08 Dioden? Die gibt es ja zu einem vernünftigen Preis.

[VDX]

... die NUBM08 dürften in meinem 8x Modul drin sein - normal zu mühsam, damit auf Leistung zu kommen ... stärkere sind aber noch zu teuer -- dann lieber die IR-Dioden mit 200W und 270W (bzw. mit der Zeit auch hier immer stärkere).

Der Mehrfach-Spiegelschnitt bei meinem Teil schaut so aus wurde "provisorisch" mit kleinen Spiegen auf Kupferröhrchen it viel Kleber so kombiniert, daß zuerst in den beiden 4-er Reihen die 4 Dioden über Spiegelschnitt zur Seite hin kombiniert wurden, dann diese beiden Strahlen nochmal über Spiegelschnitt "zusammengelegt" -- damit wird der bestmögliche Spot etwa 3-4x größer, als bei einer Einzeldiode (etwa 0.3-0.4mm), also zwar mehr Gesamtleistung, aber nur genausoviel bis etwas weniger Energiedichte

Viktor