1 GENERATIVE FERTIGUNG METALLISCHER BAUTEILE DURCH AUFTRAGSCHWEISSEN MIT PULVER UND DRAHT DIE AUFGABE handgeführten Lasergeräten oder in einfachen seitlichen Bearbeitungsköpfen eingesetzt welche nur eine begrenzte Unter dem Begriff »Additive Manufacturing« werden heute Kontur- und 3D-Fähigkeit zulassen. Um hier die gleiche alle Verfahrensvarianten zusammengefasst, die für den Auf- Flexibilität wie für die pulverbasierte Fertigung zu erlangen, trag von Schichten auf Oberflächen sowie die generative sind neue technologische Ansätze gefragt. Fertigung und die Reparatur von Bauteilen zur Verfügung stehen. Das Laser-Auftragschweißen mit pulver- und draht- UNSERE LÖSUNG förmigen Zusatzmaterialien stellt hierbei eine der etablierten Basistechnologien dar. Um mit hoher Präzision die im CAD-Modell virtuell aufbereitete Bauteilgestalt fehlerfrei in das reale metallische Bauteil zu Im Unterschied zum klassischen Pulverbettverfahren ist beim übertragen, muss sowohl für Pulver als auch für Draht eine generativen Laser-Auftragschweißen die Geometriefreiheit stabile und richtungsunabhängige Werkstoffzufuhr gewähr- limitiert. Dagegen werden signifikant höhere Bauraten er- leistet sein. Während das für Pulver in Form der Koaxialpulver- reicht, und die Bauteilgröße ist nicht verfahrensbedingt be- düsen seit langem komfortabel erfüllt ist, erfordern Drähte grenzt. Mit dieser Charakteristik wird das Laser-Auftrag- einen höheren technischen Aufwand, um die richtigungsab- schweißen heute im Wesentlichen in Reparaturprozessen an- hängige Prozessführung langzeitstabil zu gewährleisten. gewendet, um zum Beispiel im Bereich der Triebwerksinstandsetzung vielfach anspruchsvolle 3D-Geometrien darzustellen. Der in Abb. 1 gezeigte neue Bearbeitungskopf COAX-wire löst diese Aufgabe in der Form, dass der Draht mit Durchmessern Gerade mit Blick auf die höhere Produktivität und die großen zwischen 400 μm und 1,0 mm zentrisch in der Laserstrahl- bearbeitbaren Bauteildimensionen besitzt das Laser-Auftrag- achse zugeführt wird. Es erfolgt ein gleichmäßiger Material- schweißen als formgebender Prozess auch wachsendes auftrag lagenweise in 2D-Flächen und auch in 3D-Freiform- Potential in der direkten Bauteilfertigung. Hierbei spielen flächen bis hin in die Über-Kopf-Position. Pulver als Schweißgut eine wichtige Rolle, da sie in einem großen Spektrum unterschiedlichster Metalllegierungen und Beide Typen der Bearbeitungsköpfe, Pulver- und Draht- auch in Form von Composite-Werkstoffen zur Verfügung Bearbeitungsköpfe, stellen kompakte Einheiten mit der je- stehen. Allerdings werden sie auf Grund der stets unvoll- weiligen Laseroptikkonfiguration dar und können leicht in ständigen Materialausnutzung und teilweise gesundheits- Robotersystemen und CNC-Maschinen geführt werden. In schädlicher Prozessrückstände zunehmend kritisch bewertet. diesen Anlagen wird der 3D-Strukturaufbau schließlich mit angepassten Baustrategien im automatisierten Betrieb Als Alternative rücken deshalb verstärkt Drähte in den Blick der Anwender. Sie werden bislang überwiegend in kleinen 58 Fraunhofer IWS Jahresbericht 2013 ausgeführt. 2 3 ERGEBNISSE 4 Gründen der Gewichtseinsparung heutzutage aus einem CFKVerbundmaterial gefertigt sind. Die Eintrittskante besteht im Mit dem Laser-Draht-Bearbeitungskopf (Abb. 1) sind erstmals vorliegenden Fall aus TiAl6V4 und ist mit der gegebenen Geo- auch mit drahtförmigem Schweißgut Kontur- und 3D- metrie konventionell nur schwer gieß- oder umformtechnisch Schweißungen ausführbar. Der minimal zuführbare Draht- herstellbar. Daraus ergibt sich die Motivation für einen laser- durchmesser beträgt derzeit 400 μm, die resultierende generativen Aufbau. minimale laterale Strukturauflösung etwa 600 μm. Bisher sind einige für verschiedene technische Anwendungen geeignete Das gezeigte Bauteil ist mit einem Festkörperlaser und einer Metalllegierungen verarbeitbar. Beispiele sind: Werkzeugstahl Koaxial-Pulverdüse hergestellt worden. Zum Vermeiden uner- 1.2343, Inconel 625, Inconel 718, TiAl6V4 sowie Legierungen wünschter Reaktionen des Titan-Pulvers mit der Umgebungs- auf der Basis von Aluminium und Kupfer. atmosphäre erfolgte der Bauprozess in einer mitlaufenden Schutzgasglocke. Die Höhe der Schaufel beträgt 650 mm und Abbildung 2 und 3 zeigen exemplarisch zwei Bauteile, die die Wandstärke 2,5 mm. Die model-to-part-Toleranz liegt orts- durch generatives Laser-Draht-Auftragschweißen hergestellt abhängig zwischen + 50 und + 150 μm. Mit der online- worden sind. Die Turbinenschaufel (Abb. 2) mit einer Höhe geregelten und vergleichsweise geringen Laserleistung von von 100 mm ist hohl und aus Inconel 718 gefertigt. Die 800 W beträgt die Baurate hier 38 cm3 h-1. defekt- und rissfreie Mikrostruktur kennzeichnet sich durch eine feinkristalline Gussstruktur. Bemerkenswert ist die geringe 1 Koaxial-Laser-Draht-Auftrag- Oberflächenrauheit quer zu den Einzellagen von nur schweißkopf für die genera- RZ = 63 μm. Mit 1200 W Laserleistung beträgt die Baurate bei tive Bearbeitung in Roboter- dieser Anwendung und Werkstoff 51 cm3 h-1. systemen 2/3 Musterbauteile Der Ansaugbogen (Abb. 3) ist aus der Aluminium-Legierung z. B. Turbinenschaufel (2) aus AlMg5 gefertigt und weist bei einer Wandstärke von 4 mm Inconel 718 und Ansaugbo- ebenfalls eine defekt- und rissfreie Mikrostruktur auf. Bei gen (3) aus AlMg5 hergestellt diesem Werkstoff ergibt sich mit 2500 W Laserleistung eine Baurate von 198 4 cm3 h-1. Mittels Laser-Pulver-Auftragschweißens generativ hergestellte metallische Eintritts- Zur weiteren Steigerung der Produktivität, respektive der Bau- kante aus TiAl6V4 rate, ist bei den drahtbasierten Prozessen das Schweißen im Heißdrahtmodus praktikabel. Durch die effiziente elektrische Erwärmung des Drahtes sind auf 200 % vergrößerte Bauraten erreicht worden. Ein repräsentatives Beispiel der Pulver-Variante ist die in Abb. 4 KONTAKT metallische Eintrittskante großer Verdichterschaufeln. Diese als »Metal Leading Edge« (MLE) bezeichneten Bauteile dienen Prof. Steffen Nowotny dem Schutz der Fan Blades von Flugtriebwerken, die aus Telefon: +49 351 83391-3241 [email protected] Fraunhofer IWS Jahresbericht 2013 59