Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILTProzess- und Systemtechnik zur Hybrid-Fertigung großer Bauteile mit dem Laser Metal Deposition (LMD) Verfahren
Bauteile und daraus entstehende Produkte werden zunehmend komplexer und individueller. Unternehmen müssen den Zeitraum, den ein neues Produkt von der Idee bis zur Auslieferung benötigt, auch zukünftig weiter verkürzen, um erfolgreich am Markt bestehen zu können. Etablierte Fertigungsverfahren kommen hier teilweise an ihre Grenzen. Die additive Fertigung verspricht erhebliche Zeiteinsparungen und Prozessinnovationen für die Wertschöpfung in produzierenden Unternehmen sowie die Realisierung vollkommen neuer Produkteigenschaften. Produkt-, Prozess- und Werkstoffdaten zu additiven Fertigungsprozessen sowie innovative Materialien und neuartige Produktionsausrüstungen müssen dazu frühzeitig in der Produktentstehung zur Verfügung gestellt werden. Mit den neuen Entwicklungsergebnissen wird entsprechend der Hightech-Strategie der Bundesregierung die internationale Position Deutschlands nachhaltig gestärkt.
Hybride Fertigung von großen Hochleistungsbauteilen
Bei der Fertigung von Hochleistungs- und Leichtbauteilen, z. B. im Flugzeugbau, werden heutzutage bis zu 90 Prozent des Rohmaterials abgetragen und müssen wieder aufbereitet werden. Eine Alternative zu bisherigen Verfahren - die sogenannte hybride Fertigung - nutzt konventionell hergestellte Rohteile, auf denen zusätzliche Geometrieelemente additiv aufgetragen werden. Ein geeignetes additives Verfahren hierfür ist das Laserauftragschweißen (LA), auch Laser Metal Deposition (LMD) genannt. Vorteil des Verfahrens ist die Möglichkeit automatisiert auf dreidimensional geformten und nahezu unbegrenzt großen Bauteilen Geometrieelemente aufzubauen. Das Verfahren bietet zudem, im Vergleich zu anderen additiven Verfahren, relativ hohe Aufbauraten.
Diese Technologie eröffnet vielfältige Möglichkeiten zur wirtschaftlichen Herstellung innovativer Produkte, zum Beispiel lokal verstärkte Strukturbauteile für Flugzeuge. Heute eingesetzte LA-Maschinen sind jedoch teuer und in der bearbeitbaren Bauteilgröße begrenzt. Empfindliche Materialien müssen beim Laserauftragschweißen durch Schutzgas vor Oxidation geschützt werden. Der bisherige Ansatz, die ganze Anlage unter Schutzgasatmosphäre zu bringen, begrenzt die Bauteilgröße und ist kostenintensiv.
Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer wirtschaftlichen Prozesskette mit Systemtechnik und LA-Prozessen. Die Ergebnisse des Projektes werden an Demonstrator-Bauteilen der beteiligen Industriepartner demonstriert. Die ProLMD-Systemtechnik basiert auf Industrierobotern. Dies senkt Kosten und steigert die Flexibilität hinsichtlich Bauteilgeometrie und -größe. Weitere Vorteile entstehen aus der Entwicklung eines flexiblen Schutzgassystems, welches nur dort Schutzgas verwendet wo es nötig ist. Neue Laserbearbeitungsköpfe, die sowohl mit Draht als auch mit Pulver als Zusatz-werkstoff arbeiten, sowie ein für die hybride Fertigung geeignetes CAM-System runden die Systementwicklung ab. Parallel werden für mehrere Werkstoffe, sowohl in Draht- wie auch Pulverform, LA-Prozesse erforscht. Als Basis für eine Verwendung in hochbelasteten Bauteilen werden ausführliche Materialuntersuchungen durchgeführt und eine geometrische Überprüfung der aufgebauten Bauteile implementiert.
Die Prozesskette wird an Anwendungen der Projektpartner MTU Aero Engines (Aufbau von Funktionselementen an einem Triebwerksgehäuse), Airbus (Bauteilverstärkung durch 3D-Verrippung) und Daimler (Anpassung von einem Presswerkzeug in der Karosseriefertigung) demonstriert.
Reduzierte Kosten von über 10 Prozent für die gesamte Prozesskette, Ressourcenschonung und erhöhte Freiheit in der Produktentwicklung machen die Ergebnisse auch für andere Branchen wie Raumfahrt, Energieerzeugung und den durch KMU geprägten Werkzeugbau wirtschaftlich und technologisch interessant.
