Kombiniert man additive Fertigung mit Umformtechnik lassen sich die Vorteile beider Verfahren nutzen und sowohl hohe Produktivität als auch Gestaltungsfreiheit gewährleisten. Die Wechselwirkungen der Kombination untersuchen derzeit WGP-Forschende am LFT und LPT in Erlangen.
Juli 2024 – Das Laserpulverauftragschweißen (Directed Energy Deposition, DED), ist ein fortschrittliches Fertigungsverfahren, das typischerweise für Reparatur- und Beschichtungsanwendungen verwendet wird.
Im Vergleich zu anderen additiven Verfahren, wie dem Laserstrahlschmelzen aus dem Pulverbett, weist Laserpulverauftragschweißen eine geringere Detailgenauigkeit auf, was höhere Fertigungstoleranzen erfordert. Eine Herausforderung ist deshalb die Nachbearbeitung, um die gewünschte Endkontur zu erreichen. Hier setzt der innovative, hybride Ansatz an, bei welchem die Kombination von Laserpulverauftragschweißen mit der Umformtechnik untersucht wird. Durch die Massivumformoperationen können geometrische Eigenschaften verbessert und mechanische Eigenschaften des Werkstoffs maßgeschneidert optimiert werden.
Dank einzigartiger Anlage bahnbrechende Ergebnisse erwartet
Im Rahmen des DFG-Projekts „Untersuchungen zum kombinierten Prozess aus DED und Umformung“ ist deshalb das übergeordnete Ziel des Erlanger Teams um WGP-Professorin Marion Merklein (Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, LFT) und WGP-Professor Michael Schmidt (Lehrstuhl für Photonische Technologien, LPT), die Wechselwirkungen zwischen Laserpulverauftragschweißen und Umformung zu verstehen und darauf aufbauend optimierte Prozessstrategien zu entwickeln. Dieses Verständnis ist entscheidend, um die Leistungsfähigkeit der kombinierten Fertigungstechnologie zu maximieren und maßgeschneiderte Bauteile effizient herstellen zu können.
Grundlage für die Untersuchungen bildet eine einzigartige Anlage, welche eine direkte Kombination der additiven Fertigung mit der Umformtechnik ermöglicht. Der Anlagenverbund besteht aus einer Laserzelle zum Laserpulverauftragschweißen sowie einer servo-hydraulisch angetriebenen Presse. Verknüpft sind die beiden Einheiten durch einen 6-Achs-Roboter, wobei der Transport des hybriden Bauteils innerhalb von 15 Sekunden möglich ist. Durch den Anlagenaufbau kann sowohl die singuläre additive Fertigung als auch die Prozesskombination mit der Umformtechnik untersucht werden. Daneben ist eine alternierende Fertigung durch die wiederholte Anwendung der beiden Prozessschritte möglich. Der Prozess ist in der nachfolgenden Abbildung aufgeführt.
Schematische Darstellung des Prozesses zur alternierenden Fertigung | Quelle: LFT Erlangen
Erste Ergebnisse für quaderförmige Geometrien
In ersten Untersuchungen lag der Fokus darauf, die Veränderung der Bauteileigenschaften durch die alternierende Prozessführung zu bewerten. Dabei wurden quaderförmige Geometrien durch mehrere Schichten mittels Laserpulverauftragschweißen auf einer Substratplatte aufgebaut und anschließend gestaucht. Aus den Untersuchungen gehen die wesentlichen Vorteile der kombinierten Prozesskette hervor. Die Oberflächenqualität wird verbessert, Unebenheiten werden geglättet und die Oberflächenrauheit reduziert. Besonders interessant ist die Möglichkeit, die Härte des Bauteils durch die Umformung gezielt zu beeinflussen. Dies ist vor allem für Werkstoffe wie den verwendeten Edelstahl 316L relevant, deren Härte durch Kaltverfestigung gesteigert werden kann.
In weiteren Untersuchungen werden außerdem zylinderförmige Geometrien analysiert. Im Gegensatz zur quaderförmigen Geometrie entsteht nunmehr eine radialsymmetrische Spannungskonzentration im Querschnitt des Bauteils. Weiterhin wird der Einfluss der aufgewendeten Stößelkraft sowie des Stauchwegs auf die resultierenden Eigenschaften untersucht. Ergebnisse hierzu folgen im Laufe diesen und nächsten Jahres.
Die Erkenntnisse dieses Forschungsprojekts können nicht nur dazu beitragen, die Grenzen von Laserpulverauftragschweißen und Umformung zu erweitern, sondern auch die Grundlage für zukünftige Forschungsvorhaben legen. Die Entwicklung maßgeschneiderter Bauteile kann sich auf zahlreiche Anwendungsbereiche positiv auswirken. Insgesamt bietet dieses Forschungsprojekt einen faszinierenden Einblick in die Zukunft der additiven Fertigung und verspricht bahnbrechende Entwicklungen auf dem Gebiet der metallischen Bauteile.
Beitragsbild: Eine Mitarbeiterin des LFT an einer der Additivanlagen des Lehrstuhls | Quelle: TF FAU | FATHER&SUN
Weitere Informationen
Förderer
Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Unterstützung der Forschung (Projektnummer 513618377).
Ansprechpartner
Lehrstuhl für Fertigungstechnologie (LFT)
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Prof. Marion Merklein
Fachgebietsleiterin
Tel.: +49 9131 85 27140
E-Mail: marion.merklein@fau.de
Raphaela März
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
Tel.: +49 9131 85 28341
E-Mail: raphaela.maerz@fau.de
Lehrstuhl für Photonische Technologien (LPT)
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Prof. Michael Schmidt
Fachgebietsleiter
Tel.: +49 9131 85 23241
E-Mail: michael.schmidt@lpt.uni-erlangen.de
Leonie Düfert
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
Tel.: +49 9131 85 64101
E-Mail: leonie.duefert@lpt.uni-erlangen.de
Downloads:
Beitragsbild: Eine Mitarbeiterin des LFT an einer der Additivanlagen des Lehrstuhls | Quelle: TF FAU | FATHER&SUN
Schematische Darstellung des Prozesses zur alternierenden Fertigung | Quelle: LFT Erlangen