Intelligentes Lasermodul

Wenn in der additiven Fertigung Pulverwerkstoffe aus Kosten- oder Sicher­heits­gründen nicht in Frage kommen, bietet sich das draht­basierte Laser­auftrag­schweißen an. Das Fraun­hofer-Institut für Produk­tions­techno­logie hat jetzt ein intelli­gentes Laser­modul für das Auftrag­schweißen mit Draht ent­wickelt, das sich leicht in bestehende Prozess­ketten, Hand­habungs­systeme oder Werk­zeug­maschinen inte­grieren lässt.

Unter den additiven Fertigungs­ver­fahren für fili­grane und kom­plexe metal­lische Bau­teile ist heute der 3D-Druck im Pulver­bett am bekann­testen. Dabei schmilzt ein Laser den pulver­förmigen Werk­stoff in einer geschlos­senen Anlage punkt­genau zu­sammen. Da­neben gibt es jedoch noch zwei weitere, weniger be­kannte addi­tive Ver­fahren, die sich be­son­ders gut zur Repa­ra­tur oder Ände­rung grö­ße­rer Bau­teile eig­nen: das pulver­basierte und das draht­basierte Laser­auf­trag­schweißen. Im Ver­gleich zum Pulver-Laser­auf­trag­schweißen, bei dem der Werk­stoff in win­zigen Par­ti­keln aus einer Düse mit hohem Druck auf das Bau­teil strömt und dort mit dem Laser ver­schmolzen wird, ist das Auf­trag­schweißen mit einer lokalen Zu­fuhr fester Draht­werk­stoffe deut­lich mate­rial­spa­ren­der und um­welt­ver­träg­licher.

Das Laserauftrag­schweißen mit Draht eignet sich auf­grund des gut hand­hab­baren Zusatz­werk­stoffs Draht beson­ders gut zur Inte­gra­tion in be­ste­hende Ferti­gungs­anlagen. Aller­dings ist dieses Ver­fahren deut­lich kom­plexer zu steuern und damit störungs­anfäl­liger als das Laser­auftrag­schweißen von Pulver­werk­stoffen, sodass es bis­lang meist nur für grobe Vor­arbeiten ein­ge­setzt wurde. Mit dem Laser­bearbei­tungs­kopf LMD-W-20-L hat das Fraun­hofer-IPT eine Nach­rüst­lösung ent­wickelt, die mittel­fristig dank ihrer robusten Bau­weise und intel­li­genter Sensorik selbst mit Industrie­roboter­systemen kombi­niert werden kann.

Der kostengünstige Schweißkopf arbeitet mit gängigen Laser­optiken und ver­zichtet auf auf­wändige Sonder­anferti­gungen der Strahl­führungs­systeme. Mit der ein­ge­bauten Sensorik wird es zukünftig möglich sein, typische Störungen im laufenden Prozess zu erfassen, sodass die Ursachen bereits während der Bearbei­tung analy­siert und von der Steue­rung kompen­siert werden können.

Eine seitliche Zufuhr des Drahts in steilem Winkel von zwanzig Grad zur optischen Achse gewähr­leistet stabile Prozesse mit einer hohen Effi­zienz beim Auf­schmelzen. Die Palette verfüg­barer Draht­werk­stoffe umfasst schon heute ver­schie­dene Stahl­sorten, nickel- und titan­basierte Legie­rungen sowie zahl­reiche Sonder­werk­stoffe. Das Fraun­hofer-IPT unter­sucht in mehreren Forschungs­projekten die Eignung weiterer Legie­rungen.

Besonderes Kennzeichen des drahtbasierten Laserauftrag­schweißens ist die nahezu hundert­pro­zentige Material­effi­zienz, da der zuge­führte Werk­stoff voll­ständig aufge­schmolzen und schicht­weise auf die Bauteil­ober­fläche aufge­bracht wird. So lassen sich, mit ent­spre­chender CAM-Unter­stützung und in mehr­achsiger Prozess­führung, zusätz­liche Funktions­elemente in Hybrid­bau­weise auf bereits beste­hende Bau­teile auf­bauen sowie Repara­turen und Ände­rungen vor­nehmen. Eine breite Palette an Draht­zusatz­werk­stoffen lässt sich nicht nur sehr kosten­günstig, sondern auch kontur­nah ver­arbeiten, sodass quali­tativ hoch­wertige Bauteile ent­stehen.

Fh.-IPT