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ERANET Entwicklung eines CAM-basierten additiven Laserauftragschweißverfahrens zur adaptiven Herstellung von Multimaterialsystemen für Hochleistungsbauteile (MERANET-MatLaMeD)

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Schlagwort: Industrie 4.0

Fördermaßnahme: M-era.Net II Call 2017 - Additive Fertigung / Intelligente Textilien - Produktionsforschung

Laufzeit: 01.08.2018 - 31.07.2020

Forschungsziel: Ziel des Forschungsprojekts MatLaMeD war die Entwicklung einer hybriden Verfahrensvariante des Laserauftragschweißens. Hierbei wurden Draht und gleichzeitig kleinste Pulvermengen lokal zugeführt, um anwendungsoptimierte oder neuartige Werkstoffsysteme während der additiven Fertigung von Hochleistungsbauteilen beispielsweise mit verbesserter Festigkeit und Härte bereitzustellen. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit innerhalb des Projekts über die Ländergrenzen hinaus mit belgischen Partnern schaffte nicht nur ein innovatives additives Fertigungsverfahren und neue Werkstoffsysteme. Sie stärkt auch durch den Wissensvorsprung auf den Gebieten der Lasermaterialbearbeitung und der Werkstoffwissenschaften die europäische Wettbewerbsfähigkeit in ökonomisch wichtigen Branchen, wie dem Werkzeug- und Formenbau.

Ansprechperson Projektkoordination

Marius Gipperich
+49 241 8904-415
marius.gipperich@ipt.fraunhofer.de

Ansprechperson bei PTKA

Dipl.-Ing. Stefan Scherr
+49 721 608-25286
stefan.scherr@kit.edu

Detaillierte Projektbeschreibung

Problemstellung
Additive Fertigungsverfahren, wie das Laserauftragschweißen, werden dazu eingesetzt, Produkte generativ herzustellen oder diese lokal zu optimieren. Bisher wird beim Laserauftragschweißen dazu ein Laserstrahl gezielt auf die Bauteiloberfläche fokussiert und gleichzeitig ein Zusatzwerkstoff – entweder als Pulver oder als Draht – zugeführt. Für den Werkzeug- und Formenbau ist dieses Verfahren seAdditive Fertigungsverfahren, wie das Laserauftragschweißen, werden dazu eingesetzt, Produkte generativ herzustellen oder diese lokal zu optimieren. Bisher wird beim Laserauftragschweißen dazu ein Laserstrahl gezielt auf die Bauteiloberfläche fokussiert und gleichzeitig ein Zusatzwerkstoff – entweder als Pulver oder als Draht – zugeführt. Für den Werkzeug- und Formenbau ist dieses Verfahren sehr interessant, da es sich hervorragend dazu eignet, flexibel Schutzschichten aufzubringen, beschädigte Bereiche zu reparieren oder Werkzeuge noch kurz vor Produktionsstart in ihrer Geometrie zu verändern. Bislang gehen beim pulverbasierten Laserauftragschweißen jedoch bis zu 70 Prozent des Pulvers ungenutzt verloren. Gerade bei teuren Pulvern ist dies unwirtschaftlich. Draht hingegen ermöglicht eine hundertprozentige Materialausnutzung. Allerdings sind heutige Drähte aus Speziallegierungen nur begrenzt erhältlich oder erfüllen nicht die Wunschkriterien eines Beschichtungsmaterials.

Projektziel
Ziel des Forschungsprojekts MatLaMeD war deshalb die Entwicklung einer hybriden Verfahrensvariante des Laserauftragschweißens. Hierbei wurden Draht und gleichzeitig kleinste Pulvermengen lokal zugeführt, um anwendungsoptimierte oder neuartige Werkstoffsysteme während der additiven Fertigung von Hochleistungsbauteilen beispielsweise mit verbesserter Festigkeit und Härte bereitzustellen. Parallel wurde eine spezielle Software erarbeitet, die es dem Anwender ermöglicht, die Prozessführung je nach gewünschter Materialbeschaffenheit individuell zu planen und den hybriden Prozess exakt einzustellen. Für den späteren Einsatz in der Industrie wurde ein Herstellverfahren für Draht weiterentwickelt, mit dem sich kostengünstig in großem Maßstab leistungsfähige, hochlegierte Spezialdrähte bereitstellen lassen.

Vorgehensweise
Um diese Ziele zu erreichen, wurden zunächst grundlegende Prozessuntersuchungen zum hybriden Laserauftragschweißen mittels Pulver und Draht durchgeführt und materialbezogene Prozessstrategien entwickelt. Diese Ergebnisse dienten als Basis für entsprechende Algorithmen, die in eine CAM-Software eingebunden wurden. Abschließend wurden zur Validierung Drahtziehwerkzeuge mit dem hybriden Laserauftragschweißverfahren erarbeitet und dann unter industriellen Bedingungen zum Drahtziehen hochlegierter Drahtwerkstoffe eingesetzt.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Die interdisziplinäre Zusammenarbeit innerhalb des Projekts über die Ländergrenzen hinaus mit belgischen Partnern schaffte nicht nur ein innovatives additives Fertigungsverfahren und neue Werkstoffsysteme. Sie stärkte auch durch den Wissensvorsprung auf den Gebieten der Lasermaterialbearbeitung und der Werkstoffwissenschaften die europäische Wettbewerbsfähigkeit in ökonomisch wichtigen Branchen, wie dem Werkzeug- und Formenbau.

Projektpartner
  • EXAPT Systemtechnik GmbH
  • Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
  • ModuleWorks GmbH
Publikationen
Titel: Development of a CAM-based additive laser cladding process for adaptive manufacturing of multi-material systems for high-performance components (MatLaMeD)
Akronym: MatLaMeD
Autor: Kammann, S. et.al.
Verlag: Shaker Verlag GmbH, Düren Shaker Verlag GmbH, Düren
Veröffentlicht im Jahr: 2021
Die laserbasierte additive Fertigung hat sich für die Herstellung von Metallkomponenten in verschiedenen Branchen und Anwendungen wie Gesenk- und Formenbau, Schmiede- und Schneidwerkzeugen als geeignet erwiesen. Der Warmarbeitsstahl (X38CrMoV5-1) wird aufgrund seiner hohen Härte, Anlassbeständigkeit und Zähigkeit weitgehend für die Herstellung von Warmschmiedewerkzeugen verwendet. Warmarbeitsstahl ist hohen thermomechanischen Belastungen ausgesetzt, die aufgrund der resultierenden Verringerung von Härte und Zähigkeit zum Versagen führen können. Um diese Art des Versagens zu mindern, wurde das draht- und pulverbasiertes Laserauftragschweißen (LMD-w+p) entwickelt, das Titankarbid (TiC) in einem speziellen Warmarbeitsstahl dispergiert, um die lokalen mechanischen Eigenschaften des Stahls zu modifizieren. Für den Hybridprozess wurde ein CAD/CAM-Modul entwickelt. Das Modul wurde um die Möglichkeit erweitert, beliebige Informationen über die Werkstückoberfläche zu speichern. So kann während eines Simulationslaufs eine Korrelation zwischen Werkzeugbahn, Technologieparametern und Werkstückoberfläche hergestellt werden, indem eine Referenz auf den simulierten NC-Satz oder das aktuell simulierte Bahnsegment auf der bearbeiteten Werkstückoberfläche gespeichert wird. Die Systemkomponenten und das technologische Wissen der Partner wurden exemplarisch in eine Datenbankumgebung integriert und an dem definierten Demonstrator getestet. Am Ende des Projektes konnte ein vollständiger Durchlauf von der Konstruktion, Prozessplanung und Generierung des Bearbeitungsprogramms bis hin zur Planung von Qualitätstests und Datenrückführung durchgeführt werden. Mit Hilfe des LMD-w+p-Prozesses wurden Dreipunkt-Biegeproben und ein Stanzwerkzeug-Demonstrator (unter Verwendung des entwickelten CAD/CAM-Moduls) hergestellt. Die Mikrohärte wurde ebenso untersucht wie die resultierende Mikrostruktur. Die neue CAM-Planungsumgebung ermöglicht die Verwendung des hybriden LMD-w+p in einer Prozesskette mit subtraktiven Prozessschritten und bietet somit einen voll integrierten Prozess. Der Bericht ist in englischer Sprache verfasst.

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