»COAXshield« und »LIsec«: Fraunhofer IWS stellt auf Fachmesse »formnext« Schutzgasdüse und Licht-Scanner für Laser-Pulver-Auftragschweißen vor

Feinschliff für die Additive Produktion

Fraunhofer IWS / 14. November 2019

Additive Fertigungsanlagen können hochkomplexe Bauteile erzeugen, die mit klassischen Werkzeugmaschinen gar nicht oder nur mit hohem Aufwand produzierbar wären. Dennoch gehören solche industriellen 3D-Drucker längst noch nicht zur Standardausrüstung in Fabriken. Das liegt nicht nur an den Anschaffungskosten, sondern auch an vielen Problemen im Detail. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden hat Lösungen gefunden und stellt sie im November 2019 auf der Fachmesse »formnext« in Frankfurt am Main vor. Dazu gehören mit »COAXshield« eine lokale Schmelzbadabschirmung für das Laser-Pulver-Auftragschweißen und das Analyse-Gerät »LIsec«, mit dem sich der Pulverfluss bei Additiven Fertigungsverfahren kontrollieren lässt.

© Fraunhofer IWS Dresden
»COAXshield« – neuartige Schutzgasdüse zur lokalen Schmelzbadabschirmung für das Laser-Pulver-Auftragschweißen von sensiblen Materialien.
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Der neue Düsenkopf »COAXshield« des Fraunhofer IWS ummantelt die Pulverdüse und bildet einen Schutzgaskegel »koaxial« um die Prozesszone herum.

Der in der Raumfahrt beliebte Werkstoff Titan oxidiert, wenn er bei Bearbeitungstemperaturen ab oder höher als 300 Grad Celsius mit Luft in Kontakt kommt. In der Folge verändern sich die Materialeigenschaften. Die Bauteile werden spröde und können Risse bekommen. Wenn zum Beispiel ein Roboter ein Titanwerkstück mittels Laser additiv fertigen soll, muss zunächst eine große Kammer um Roboter und Bauteil gebaut werden. Diese Kammer wird dann entweder mit einem reaktionsarmen Edelgas wie Helium oder Argon geflutet oder es muss ein Vakuum erzeugt werden, bevor die Fertigung beginnen kann. »Diese Form der globalen Prozessabschirmung mag für kleine Bauteilgrößen geeignet sein, stellt einen jedoch bei der Fertigung von Großbauteilen hinsichtlich der Prozesssteuerung und Zugänglichkeit vor erhebliche Schwierigkeiten«, erklärt Jakob Schneider der am Fraunhofer IWS zum Thema Additive Fertigung forscht. »Hinzu kommt, dass die Kosten für solch eine Kammer überproportional mit der Größe des zu schützenden Bauteils steigen, zum Beispiel die Kosten für mehrere Kubikmeter Helium oder Argon, die unter Umständen wegen Zwischenarbeitsschritten auch ab- und wieder zugepumpt werden müssen.« Ähnliches gelte für Werkstücke aus anderen »widerspenstigen« Materialien, sogenannte »Refraktärmetalle«, zum Beispiel Tantal, Niob oder Titan-Aluminium-Verbindungen.

»COAXshield« schützt Titan-Bauteile

Daher hat das IWS mit »COAXshield« einen alternativen Schutzschirm entwickelt, der das Schutzgas nur dorthin leitet, wo es wirklich gebraucht wird: direkt um die Bearbeitungszone des Laserstrahls herum, der das Metallpulver aufschmilzt und auf das Bauteil schichtweise aufträgt. Dabei handelt es sich um einen Düsenkopf, der unter gängige Bearbeitungsoptiken montiert werden kann. Er ummantelt die Pulverdüse und bildet einen Schutzgaskegel »koaxial« um die Prozesszone herum. Dieser Kegel schützt somit lediglich die heiße Bearbeitungszone, denn nur dort können Titan und Umgebungsluft miteinander reagieren.

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Das Kürzel »LIsec« steht für »Light Section« (deutsch: Lichtschnitt) und verrät bereits das Prinzip: Ein Messlaser durchleuchtet den Pulverstrom nach Austritt aus der Düse.
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Das Fraunhofer IWS Messgerät »LIsec« erlaubt eine deutlich vereinfachte Qualitätskontrolle und ermöglicht Rückschlüsse auf den Grad des Verschleißes einer Pulverdüse.

»Durch diese Lösung spart der Anwender viel Aufwand und Kosten«, betont Jakob Schneider. »Zudem lassen sich so auch sehr große Titanbauteile additiv fertigen oder herstellen.« Ein Beispiel: Für das Röntgen-Weltraumteleskop »ATHENA« benötigt die Europäische Weltraumorganisation ESA eine Satelliten-Trägerstruktur aus Titan mit einem Durchmesser von mehreren Metern. Dafür entwickelt das IWS in Kooperation mit ihr einen Prozess und die dazugehörige Systemtechnik für die additive Fertigung. Vor diesem Hintergrund wurde die »COAXshield« entwickelt. Anfang 2020 soll diese Technik marktreif sein.

»LIsec« durchleuchtet den Pulverstrom

Während bei konventionell genutzten abtragenden Verfahren wie dem Fräsen das Einmessen der Werkzeuge dem Stand der Technik entspricht, stellt dies beim Laser-Pulver-Auftragschweißen noch ein große Herausforderung dar. Zur Lösung dieses Problems und um die Grenzen des technisch Machbaren zu verschieben, wurde am IWS das Messgerät »LIsec« entwickelt. Das Kürzel steht für »Light Section« (deutsch: Lichtschnitt) und verrät bereits das Prinzip: Ein Messlaser durchleuchtet den Pulverstrom nach Austritt aus der Düse. Im rechten Winkel dazu ist eine Kamera montiert, die Lichtschnitte durch das Pulver aufnimmt und an eine Analyse-Software weiterleitet. »Daraus lässt sich hochpräzise die dreidimensionale Verteilung des Pulverstroms berechnen«, erklärt IWS-Ingenieur Rico Hemschik. »Dies erlaubt eine deutlich vereinfachte Qualitätskontrolle und ermöglicht Rückschlüsse auf den Grad des Verschleißes der Pulverdüse.«

Nutzen lässt sich dies beispielsweise, um beschädigte oder verschlissene Turbinenschaufeln von Flugzeugen in höherer Qualität und zuverlässiger als bisher zu reparieren. »Insofern kann unser Messgerät zu mehr Sicherheit und geringeren Wartungskosten in der Luftfahrt beitragen«, sagt der IWS-Ingenieur. Das Dresdner Institut erarbeitet bereits den Transfer der Technologie mit mehreren namhaften internationalen Unternehmen und Forschungsinstituten.