Mission: Aufbau

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Selective Laser Melting und Laser Metal Deposition sind die beiden laserbasierten generativen Fertigungsverfahren. Hier lesen Sie, wo beide Methoden stehen.

Bei generativen Verfahren in der industriellen Fertigung von Metallteilen (auch Additive Manufacturing genannt) geht es immer darum, ein Objekt Schicht um Schicht aufzubauen; meist aus Pulver und am häufigsten per Laser.

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Laser Metal Deposition

Das Auftragschweißen (Laser Metal Deposition) gehört zu den generierenden Verfahren und findet seinen Einsatz in der Reparatur oder Modifaktion bestehender Bauteile und der Veredelung von Oberflächen

Generatives LMD

Das Ziel für die generative Fertigung ist klar: Der Ingenieur erstellt ein 3­D­CAD­Modell, die Maschine holt sich die Daten und baut los. Momentan ist es aber so, dass die Ingenieure erst mühsam die Modelldaten Punkt für Punkt übersetzen müssen. Darum erforscht TRUMPF derzeit die optimale Prozessstrategie im generativen Laserauftragschweißen und fängt mit ganz grundlegenden geometrischen Formen an:

Video: Aufbau einer Turbinenschaufel mit dem LMD-Verfahren

Wie macht man einen Quader? Führt man den Laser eher in Schlangenlinien oder in Mäandern? Wie eng? Wo muss der Laser bremsen, wo gleichmäßig fahren? Was sind die optimalen Parameter für Leistung, Geschwindigkeit und Pulverausstoß? Wo müssen sie variieren, damit zum Beispiel die Ecken nicht abschmelzen und sich senken?

Wie ein Werkstück: Querschnitt eines LMD-generierten Metallquaders auf einer Stahlplatte. Fotoserie: Sehen Sie, wie der Quader gewachsen ist.

Mit diesem Grundverständnis für die Basisformen lassen sich optimale Bearbeitungsstrategien auch für komplexere Bauteilgeometrien programmieren.

Das Equipment für LMD

Interessant ist LMD als generatives Verfahren, weil die Anlagentechnik bereits ausgereift zur Verfügung steht.

Pulverdüse

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Beim Laserauftragschweißen bläst die Düse das Metallpulver koaxial in das Schmelzbad. Damit ist der Auftrag in jede Raumrichtung möglich.

Pulverförderer

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Der Förderer mischt das Pulver während des Laserauftragschweißens. Das ermöglicht Legierungen, Gradienten und Sandwichschichten.

Die Methode, die in Köpfen und Medien zum Synonym für die generative Fertigung geworden ist, sieht so aus: In einem Pulverbett schmilzt ein Laser metallisches Pulver zu Materialschichten um. Das Ganze passiert in einer mit inertem Gas gefluteten Kammer. Das heißt dann selektives Laserschmelzen (SLM) oder Pulverbettfusion.

Das Verfahren erschafft hochkomplexe Bauteile mit Innenraumstrukturen oder Bauteile, die Abbilder ihrer inneren Kraftflüsse sind: Nur dort, wo Material gebraucht wird, um Beanspruchungen zu fangen und zu leiten, kommt auch welches hin.

Zweite Karriere für LMD

Längst nicht jedes Bauteil hat jedoch Innenkanäle, Hohlräume und komplexe Kraftflüsse. Oft ist es zudem günstig, Volumen an bestehende Bauteile anzubringen, etwa eine Anschraubfläche an ein Rohr. Bisher stellt man das Rohr mit einem größeren Durchmesser als benötigt her und spant alles außer der Verbindung rundherum ab.

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Auch wenn das Augen im Querschliff unter dem Mikroskop die Raupen unterscheiden kann: mechanisch verhalten sie sich wie ein monolithisches Werkstück. (Galerie)

Oder aber man möchte die Oberflächengeometrie eines Werkzeugs verändern. Dann wird ein anderes Verfahren interessant.

Laserauftragschweißen, auch Laser Metal Deposition (LMD) genannt, bringt den Zusatzwerkstoff — Pulver oder Draht — direkt in das mit dem Laserstrahl erzeugte Schmelzbad ein und schafft eine Schicht aus miteinander verschweißten Raupen.

Die pulverbasierte Variante ist dabei besonders vielversprechend, da sie 3-D-fähig ist: Viele Schichten ergeben einen Körper, der — weil das Metallpulver koaxial zum Laserstrahl zugeführt wird — in jede Raumrichtung wachsen kann.

Auftragvolumen und Geschwindigkeit

Was das Auftragschweißen als zweites generatives Verfahren so spannend macht: die Anlagentechnik steht bereits ausgereift zur Verfügung. Reizvoll sind vor allem Auftragsvolumen und Geschwindigkeit.

Mit Volumina von bis zu 500 Kubikzentimetern pro Stunde schlägt es konventionelle Fertigungsverfahren nicht nur technologisch, sondern häufig auch in der Wirtschaftlichkeit. Und in der Materialkombination unterliegen die Entwickler kaum Beschränkungen. Es lassen sich fast beliebige Sandwichstrukturen oder gradierte Schichten erzeugen.

Der Prozess erfolgt auf dem Bauteil an freier Atmosphäre. Dies reduziert Neben- und Rüstzeiten und erlaubt die Bearbeitung auch von großen Bauteilen. All das senkt die Kosten pro Teil.

Wunsch und Wirklichkeit 

Das Potenzial der generativen Fertigung ist riesig, doch wer die Brillen von Rosa auf Schwarz schalten will, sieht viele Hindernisse. Die Materialien sind noch relativ teuer und die Methode, einen Gegenstand Schicht um Schicht aufzubauen, ist sehr zeitintensiv.

Denn Wärmeeintrag, Schmelz- und Abkühlzeiten sowie das verarbeitbare Volumen setzen Geschwindigkeitsgrenzen. Und dann ist da noch die Sache mit der Programmierung des Prozesses. Das CAD-Modell birgt zwar alle notwendigen Daten für das Bauteil.

Doch die Maschine braucht noch den einen Weg von der ersten Schweißbahn bis zum letzten Pulvertupfen, welcher die thermophysikalischen Vorgänge im Werkstück berücksichtigt.Und irgendwann sollte die Software ihn alleine ermitteln können.

AMAZE-Projekt zur Grundlagenforschung

Dafür legen die Ingenieure eben erst das Fundament. Unterstützt wird diese Grundlagenforschung durch die Europäische Union: Sie fördert eine Entwicklungskooperation zwischen der Europäischen Weltraumorganisation ESA, acht Universitäten und 19 Unternehmen, darunter auch TRUMPF.

Ziel des AMAZE-Projekts ist es, Metallkomponenten bis 2016 in einer Größe von bis zu zwei Metern generativ herzustellen — ganz ohne Abfall.

Die Produktionskosten sollen dabei nur halb so hoch sein wie bei konventionellen Verfahren. TRUMPF leitet und koordiniert die Projektgruppe Laserauftragschweißen.

David J. Jarvis, Leiter Materialforschung bei der ESA und Chefkoordinator von AMAZE, stellt fest: „Wenn wir über lasergenerative Fertigung reden, müssen wir unbedingt auch von Laserauftragschweißen sprechen. Es ist eine interessante Technik für Reparaturen, die Rettung von Bauteilen und den Aufbau auf bestehenden Teilen.“

Ansprechpartner
TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH
Jürgen Metzger
Telefon +49 7156 303 – 36194,  
E-Mail: juergen.metzger@de.trumpf.com

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