Einsatz ein- und mehrlagiger generativer Fertigungsverfahren Dipl.-Ing. Frederik Feuerhahn Produktion Nordwest, Emden 07. Mai 2015 Unternehmensdaten Gründung: 1977 Rechtsform: GmbH (gemeinnützig) Leitung: Prof. Dr.-Ing. F. Vollertsen Prof. rer. nat. R. Bergmann Dipl.-Kffr. E. Taulien-Matthies Inhalte: - Materialbearbeitung und Bearbeitungssysteme - Optische Messtechnik und optoelektronische Systeme Ziele: - Forschung und Entwicklung - Technologietransfer Mitarbeiter: 110 Kunden: - Industrie - Öffentliche Hand 2 Branchenportfolio Automotive Schiffbau und Meerestechnik Medizintechnik Luft- und Raumfahrt Energieerzeugung Energietransport Consumer Electronics Sicherheitstechnik 3 Gliederung Einlagige Prozesse Laserpulverauftragsschweißen (LPA) LPA Prozessüberwachung LPA Prozessregelung Mehrlagige Prozesse Selektives Laserstrahlschmelzen (SLM) im SFB 747 Mikrokaltumformen SLM Werkzeugeinsätze aus Hartmetall SLM Prozessstabilität 4 Laserpulverauftragsschweißen LPA • Laser als Wärmequelle • Pulverförmiger Zusatzwerkstoff • Aufschmelzen von Bauteilrandschicht und Pulver • Defektfreier Überzug mit schmelzmetallurgischer Anbindung • Volumenaufbaurate typ. 10 cm3/min Feuerhahn 2015 BIAS ID 151057 5 LPA – Einzellagig Beispiele Modifizieren eines Spritzgusswerkzeugs Rekonditionierung von Schiffdieselkurbelwellen Reparatur eines Abformwerkzeugs 6 Warum Thermometrie ? • Temperaturfelderfassung während der Prozessentwicklung: – Verständnis von Prozessparametereinflüssen – Verständnis von Wirkmechanismen transienter Temperaturverteilung auf Werkstoff- und Bauteilverhalten – Validierung von Simulationsergebnissen • Temperaturfelderfassung in industrieller Produktion: – Qualitätskontrolle (Dokumentation, Nachweis, Fehleranalyse) – Prozessregelung zur aktiven Qualitätssteuerung Köhler 2014 BIAS ID 141522 7 Anforderungen an Thermometriesysteme • • • • • Zugänglichkeit der Messstelle Hohe räumliche Auflösung Breites Temperaturspektrum Robust gegen Prozessemissionen Hohe Messfrequenz Köhler 2014 BIAS ID 141523 8 Prozessregelung mit 2 Kanal Pyrometer Temperatur Temperatur 2000 2000 2500 °C °C W 1600 1600 1500 1400 1400 1000 1200 1200 1000 1000 0 20 40 60 Zeit s 100 500 Laserleistung Laserausgangsleistung • Koaxiale Erfassung der Prozesstemperatur • Temperaturregelung, typischerweise über Laserausgangsleistung Zeit Stellite 21 steel 1.4301 Feuerhahn 2015 BIAS ID 151061 9 2-Kanal Kamera: HDRC®-Q-PyroCam Technische Eckdaten: • 2D Quotienten-Pyrometer • Temperaturbereich: • 650°C (~600°C) … 1900°C (3000 °C) • ~ 5 K Temperaturauflösung • Auflösung: 640 x 480 px (oder ROI) • Bildrate: aktuell 12/s (> 100 Hz), streaming Projektpartner: • IMS CHIPS: • PyroCam-Technology (F&E, Produktion, Qualifizierung/ Kalibrierung) • Grundlegende Kamera-Software (z.B. live-Bildauslesen, Bildeinstellungen) • BIAS: • Grafische Benutzerschnittstelle • Online-Bildverarbeitung • Einbindung und Systemtest • Einbettung in Regelkonzepte (aktueller Entwicklungsgegenstand) Köhler 2014 BIAS ID 141530 10 Prozessbild vs. Thermoaufnahme Laserauftragsschweißen T in °C 1900 1734 • 2D Temperaturinformation in Falschfarben • Temperaturinformation für jeden Pixel • Schmelzbad und Abkühlung sind gut unterscheidbar • Zeitaufgelöste Aufzeichnung zur nachgeschalteten, sowie online-Bildverarbeitung • Reflektionen von Wärmestrahlung an Werkstückoberfläche, Aufbau und Pulver 1572 1410 SLM 1248 1086 924 762 600 Feuerhahn 2015 BIAS ID 151062 11 Transiente Schmelzbadauswertung Schmelzbadbreite Melt pool width Schmelzbadbreite bei Vorschubgeschwindigkeit 1 m/min 5,0 5.0 mm mm 4,0 4.0 3,5 3.5 3,0 3.0 2,5 2.5 T in °C 1900 1734 1572 0,0 0,6 0,9 1,2 1.8 0 0,3 0.6 m m 1,8 5 mm Schmelzbadbreite Melt pool width Track length Spurlänge Schmelzbadbreite bei Vorschubgeschwindigkeit 4 m/min 5,0 5.0 mm mm 4,0 4.0 3,5 3.5 3,0 3.0 2,5 2.5 0,0 0,6 0,9 1,2 1.8 0 0,3 0.6 m m 1,8 5 mm Track length Spurlänge Feuerhahn 2015 1410 1248 1086 924 762 600 BIAS ID 151063 12 Anforderungsgerechte Oberflächen Motivation • Einsatz von Leichtmetall für Maschinenbauteile! • ABER: Oberflächeneigenschaften oft ungenügend Ziel • Erzeugen eines Überzugs mit Funktionswerkstoff Schutzgas Laserstrahl Herausforderungen 1. Schmelzpunktdifferenz Substrat-Zusatzwerkstoff 2. Auf-/Durchmischung 3. komplexe Bahnplanung Zusatzwerkstoff Ringspaltdüse Überzug Vorschub, Substrat Köhler 2015 BIAS ID 150923 13 Endkonturnahe Randschichtmodifikation Ansatz/Lösungsweg • Laserauftragsschweißen mit gepulster Ausgangsleistung Vorschub: Laserleistung: • 139 mm/s cw 1,5 kW 139 mm/s gepulst (1,25 +/- 1,21) kW Bahnplanung mit kommerzieller Software zur additiven Fertigung Geometrie CAD-Datensatz Endprodukt Köhler 2015 Prozesstrajektorie BIAS ID 150924 14 Gliederung Einlagige Prozesse Laserauftragsschweißen (LPA) LPA Prozessüberwachung LPA Prozessregelung Mehrlagige Prozesse Selektives Laserstrahlschmelzen (SLM) im SFB 747 Mikrokaltumformen SLM Werkzeugeinsätze aus Hartmetall SLM Prozessstabilität 15 Anwendung in der Mikrofertigung Versagen von Mikroumformwerkzeug durch grobe Karbidzeilen 20 µm 200 µm Erfordert den Einsatz von Werkzeugstahl mit fein verteilten Karbiden 10 mm Werkstoff: 1.2379PM Herausforderung Schlechte Schweißbarkeit von Werkzeugstahl erschwert die Verarbeitung durch additive Verfahren Werkstoff: X110 CrMoVAl 8-2-1 1 mm Feuerhahn 2015, Quelle Flosky 2014 1mm BIAS ID 142823 16 Mikroumformwerkzeuge mittels SLM Generierung von Stanz-Ziehringen aus hochfestem Werkzeugstahl Gefüge nach WB T [°C] t [s] 20 µm 765 ±8.7 HV 10 Bereitstellung eines feinkörnigen Werkzeugstahls hoher Härte mit homogen verteilten sehr feinen Karbiden Generierter Rohling Endbearbeitetes Werkzeug Produkt 200µm Feuerhahn 2015 BIAS ID 151064 17 Werkzeug mit konturnaher Temperierung T2 T1 Zeit Temperatur Temperatur Herausforderung: Vermeidung des Einlaufverhaltens im Mikrotiefziehprozess T3 T2 T1 Zeit Vorgehen: Temperatur geregeltes Tiefziehwerkzeug CAD Model Feuerhahn 2015 2 mm SLM generiertes Werkzeug, X110CrMoVAl 8-2-1 BIAS ID 151065 18 Generieren von Verschleißeinsätzen Herausforderung: Lokaler Verschleiß an Spritzgussformen Einspritzkanal Schmelze Verschleiß durch Materialfluss Lösungsansatz: Konturnahe Abformwerkzeugeinsätze Feuerhahn 2015 BIAS ID 151067 19 Verarbeitung von Hartmetall als MMC Ausagangswerkstoff agglomeriert/gesintert Anlage Laserleistung Scangeschwindigkeit Spurabstand Schichtdicke Spotdurchmesser Verarbeitet mittels Selektives Lasersintern (SLS) Werkstoff Rel. Dichte Härte Feuerhahn 2015 Realizer 250 140 W 25 mm/s 0.25 mm 0.05 mm 0.2 mm WC Co 83-17 98 % 1350 HV0.3 BIAS ID 151068 20 Fügen der Werkzeugeinsätze durch Löten • generierter WC-Co 83/17 Werkzeugeinsatz 50×50×10 mm³ • WC-Co 83/17 Werkzeugeinsatz gefügt durch Löten mit Werkzeugstahl H11 (1.2343) 10 mm • Ofenlöten mit Kupferpaste unter Ar/H2 95/5 @ 1175°C • Kupferlot infiltriert Kavitäten des generierten Werkzeugeinsatzes 100µm • Hohe Fügeverbindungsqualität an erodierten sowie an as-processed Oberflächen 2 mm Feuerhahn 2015, ISAF, TU Clausthal BIAS ID 151069 21 Hochtemperatur Abrasionstest Verschleißvolumen Verschleißuntersuchung an: • Oberfläche • Testtemperatur: 650°C • Abrasiv: Quartz • Dauer: 1h • Testgeometrie: 50×50×10 mm³ Verschleißvolumen 600 500 mm³ 400 300 200 100 0 SLM conventional 1.2343 WC-Co 83-17 1.2343 gehärtet hardened Feuerhahn 2015, TU Clausthal BIAS ID 151070 22 Reproduzierbarkeit des SLM-Prozess Optikmaterial: BK7 Glas t=0 z t = 400 14 10 6 Imax = 15.2 Δz Imax = 3.7 2 MW·cm² y x Deformation Absorption Feuerhahn 2015 Erwärmung Veränderung der Brechzahl Fokusshift BIAS ID 151071 23 Optischeraufbau der SLM Anlage Laser Teleskop Faser Scanner f-ϑ Objektiv Kollimator Isolator Lochblende Referenzebene Bearbeitungsebene Teleskop f-ϑ Objektiv f0 / mm Feuerhahn 2015 A BK7 BK7 163 B Quartzglas BK7 163 C Quartzglas Quartzglas 277 BIAS ID 151072 24 40 8 µm 30 6 Δf / zR0 Strahlradius Ergebnis der Strahlcharkterisierung 20 10 0 4 2 Pmax = 200 W 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Normierte Laserleistung Teleskop f-ϑ Objektiv f0 / mm Feuerhahn 2015 A BK7 BK7 163 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Normierte Laserleistung B Quartzglas BK7 163 C Quartzglas Quartzglas 277 BIAS ID 151073 25 Transientes Verhalten des Laserspots 100 100 f = 163 mm BK7 f = 277 mm Quarz BK7 Strahlradius µm 80 60 60 Quartzglas 40 40 20 20 PL = 200 W 00 0 100 100 200 300 s 400 400 Zeit Feuerhahn 2015 BIAS ID 151074 26 Zusammenfassung • Generierung von 2,5-D-Bauteilen mittels Auftragsschweißen durch Bahnplanung mit kommerzieller Software • Generierung von Verschleißschutzschichten mittels LPA auch bei Schmelzpunktdifferenz zwischen Substrat- und Zusatzwerkstoff durch gepulste Ausgangsleistung möglich • Thermografie ist Schlüssel zu: • Prozessverständnis und Qualitätssicherung in der Lasermaterialbearbeitung • Regelung und bietet damit höchste Reproduzierbarkeit und Prozessbeherrschung • Standzeiterhöhung von Mikroumformwerkzeugen durch Verarbeitung von hochfestem Werkzeugstahl mittels SLM auch mit konturnahen Temperierkanälen • Fügen von generierte Werkzeugeinsätze aus Hartmetall ermöglichen eine Erhöhung der Standzeit von Spritzgusswerkzeugen • Aufhebung des Fokusshift beim SLM durch Einsatz von Quartzoptiken 27 Danksagung Wir danken den Fördermittelgebern für die Förderung der Projekte • VO 530/61 „Dauerfestigkeit von Mittelschnellläuferkurbelwellen nach Rekonditionierung durch Laserstrahlbeschichten“ • SFB 747 Mikrokaltumformen Teilprojekt C1 „Generative Herstellung angepasster Werkzeugwerkstoffe für die Mikrokaltumforung“ • VO 530/31-2 „Laserstrahlbeschichten und Simulation der Temperatur- und Eigenspannungssituation“ • DVS-Nr. 01.072 „Generieren und Fügen von Hartmetall“ …Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 28 Veröffentlichungen • • • • • • Koehler, H.; Partes, K.; Seefeld, T.; Vollertsen, F.: “Laser reconditioning of crankshafts: From lab to application”, Laser Assisted Net shape Engineering (LANE 2010), eds.: M. Schmidt, F. Vollertsen, M. Geiger, (2010), S. 387-397 Köhler, H.; Jayaraman, V.; Brosch, D.; Hutter, F.X.; Seefeld, T.: A Novel Thermal Sensor Applied for Laser Materials Processing; Physics Procedia, Volume 41, 2013, 495-501 Neugebauer, F., Keller, N., Ploshikhin, V.; Feuerhahn, F., Köhler, H.: Finite-element simulation of temperature field in selective laser melting validated by thermal process monitoring, Proceedings of the 4th International Workshop on Thermal Forming and Welding Distortion, BIAS-Verlag (2014) Feuerhahn, F.; Schulz, A.; Seefeld, T.; Vollertsen, F.: Microstructure and properties of selective laser melted high hardness tool steel, Physics Procedia Vol. 41 (2013), Proc. of Lasers in Manufacturing Conference 2013, pp. 836-841 Köhler, H.; Seefeld, T.; Vollertsen, F.: Selective laser sintering of tungsten carbide inserts for local wear protection of injection molding tools, Proc. of the 18th Plansee Seminar (2013) Kühnle, T.; Partes, K.; Vollertsen, F.: Characterization of the thermal focus shift in a selective laser melting machine, Direct Digital Manufacturing Conference 2012 29
© Copyright 2024 ExpyDoc
