INDUSTRIEWORKSHOP Additive Fertigung mit flexiblen Prozessketten

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1 TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH INDUSTRIEWORKSHOP Additive Fertigung mit flexiblen Prozessketten Dr. Antonio Candel-Ruiz, Branchenmanagement Laseroberflächenverfahren Ditzingen,

2 Inhalt Einführung: Marktgröße und Wachstum Laserbasierte generative Verfahren: Laserauftragschweißen und Laser Metal Fusion Laserauftragschweißen als additives Verfahren Zusammenfassung 2

3 Marktgröße und Wachstum Der Markt für Maschinen zur generativen Fertigung metallischer Bauteile wächst rasant und in mehreren Branchen Durchschnittliches Wachstum bis 2013: ca. 25%, im 2013: ca. 55% (ca. 350 Anlagen) Stückzahl 600 Others 16% 20% Aerospace Automotive 6% Academic Institutions 13% 18% Service Center Jahr Dental 13% 14% Health care Anlagen zur additiven Fertigung metallischer Bauteile (Quelle: Wohlers Associates, Inc., Roland Berger) Im Jahr 2012 installierte Anlagen zur additiven Fertigung metallischer Bauteile (Quelle: SLM Solutions)

4 Laserbasierte additive Fertigungsverfahren Zur generativen Fertigung metallischer Bauteile haben folgende laserbasierte Verfahren das größte Potential: Laser Metal Fusion, Abk. LMF Laserauftragschweißen, Laser Metal Deposition (Abk. LMD) 4

5 TRUMPF ist Pionier im industriellen Additive Manufacturing 15 Jahre Erfahrung bei Additiven Fertigungstechnologien Beginn der AM- Aktivitäten zusammen mit Fraunhofer ILT TRUMPF-POM Kooperation Erste DMD TRUMPF Technologie Paket LMD 2012 TRUMPF LMD Systemportfolio Vorstellung erste LMF Maschine 2003 Wiedereinstieg TRUMPF in LMF Qualifizierte LMF Maschine für Stahl, Titan, Inconel 2008 SPI Faserlaser 5

6 Selektives Laserschmelzen, Laser Metal Fusion (LMF) Prinzip Beim LMF-Verfahren wird der zu verarbeitende Werkstoff in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Grundplatte aufgebracht. Der pulverförmige Werkstoff wird mittels Laserstrahlung lokal vollständig umgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Quelle: Fraunhofer ILT (Aachen) Laser Metal Fusion, Prinzip Hüftgelenkspfanne, mittels LMF n hergestellt

7 Laserauftragschweißen (LMD, Laser Metal Deposition) Prinzip des Verfahrens und Vorteile Beim Laserauftragschweißen dient der Laserstrahl dem Aufschmelzen und gleichzeitigem Aufbringen eines Zusatzwerkstoffes. Da sowohl Substrat als auch Zusatzwerkstoff aufgeschmolzen werden, resultiert ein metallurgischer Verbund auch zwischen unterschiedlichen Metallen. Vorteile Laserauftragschweißen: Funktionale Schichten und Volumina können auf vorhandenen 3D- Oberflächen aufgetragen werden. Aufbauraten über 300 cm 3 /h erzielbar. Herstellung von Bauteilen aus Multilayer- oder gradierten Schichten möglich. 8

8 Anwendungsfelder für Laserauftragschweißen Reparatur Reparatur von Blisk*- und Schaufeln (Kompressor, Turbine) Bauteilkosten (Blisk): > Ersparnis durch Reparatur ca. 92% Herstellung von Schichtsystemen Beschichtung von Bohrstrangkomponenten und Schneidwerkzeugen Herstellung von verschleißbeständigen Schichtsystemen (WC, TiC) Schneidwerkzeug: Erhöhung der Lebensdauer um Faktor 5 Blisk *Blade Integrated Disk Einzelne Turbinenschaufel Beschichtete Bohrstrangkomponente Beschichtetes Messer Additive Fertigung Möglichkeiten - Anpassung/Versteifung Möglichkeiten Verbindungstechnik - Spaltüberbrückung - Aluminium-Aluminium - Sintermaterialien Quellen: Rolls-Royce, Schöller-Bleckmann, Stanley Tools, Fraunhofer ILT 9

9 Technologievergleich Laser Metal Fusion Laser Metal Deposition LMF Kriterium LMD Laser Scanner Prozessrichtung Pulver Beschichter LMF Loses Pulver Bauplattform LMD aufgetragenes Material Aufmischungsbereich Laserstrahl Pulverstrahl Schutzgas Absenken der Bauplattform Fraunhofer IPK (Germany) Schmelzbad Arbeitsebene Geometrische Komplexität (mit Vorheizung) Bandbreite Material (10-70 cm³ / h) Aufbaurate ( cm³ / h) (< 0,1 mm) Genauigkeit (< 0,5 mm) (Ra 5-10 µm) Oberflächenqualität (Ra µm) Teile Kosten Nutzung für Herstellung von Metallkomponenten Mit Standard-Technologie 10

10 Laserauftragschweißen zur Generierung von Bauteilen Beispiel Kartesische Maschine mit Scheibenlaser (Laserleistung 4 KW) Laserspotdurchmesser zwischen 0,2 mm und 6 mm Vorschubgeschwindigkeit bis 2 m/min Schichtstärke bis 1 mm Info Moataz, big parts Bild Maschine? Quelle: University of Birmingham und BAE Systems (England) 11

11 Aufbau von Volumina und Schichtsystemen auf Grundkörper Anpassung von bestehenden Bauteilen Einsatz vom LMD bietet folgende Möglichkeiten: Grundkörper/Basisdesign kann durch konventionelle Fertigungsverfahren (Gießen, Formen, Schmieden u. a.) hergestellt werden. Nur ein Werkzeug (z. B. Umformwerkzeug) wird für den Grundkörper/Basisdesign benötigt Aufbau von definierten Strukturen/Verstärkungen mittels LMD Erhöhte Flexibilität bzgl. Abmessungen, Geometrie, Positionierung der generierten Strukturen/Verstärkungen Material wird aufgebracht, dort wo es nötig ist: Gewichtseinsparung 12

12 Generierung von Schaufeln auf Blisks Generierung von Schaufeln auf Blisks Quelle: Fraunhofer ILT (Aachen)

13 Directional solidification for repair of single crystal parts 1050 C for 6 hours followed by 870 C for 24 hours As-deposited Deposit Substrate Rene N4 Powder onto CMSX-4 Substrate: Acceptable levels of cracking/ no porosity Directionally solidified (Single Crystal repair) Limited stray grain formation at extremities (removed during subsequent machining) Courtesy of Instituto Superior Técnico, Lisbon and TWI Ltd 14

14 Herstellung von Bauteilen aus Multilayer- oder gradierten Schichten Beispiel Laserleistung: 1 KW Vorschubgeschwindigkeit: ca. 500 mm/min Zusatzwerkstoffe: - Edelstahl Stellite 6 - Inconel 718 Schliffbild (metallurgischer Verbund) Ni-Basislegierung (Inconel718) Co-Basislegierung (Stellite 6) Fe- Basislegierung (Edelstahl 420) 15

15 Quader aus Inconel 718 Charakterisierung Reduzierte Porosität Die hohen Abkühlraten führen zu feinen, homogenen Gefügen Aufgrund des schichtweisen Aufbaus: anisotropische mechanische Eigenschaften zu erwarten. Quader aus Inconel 718, Schliffbild Computertomographie einer Probe 16

16 Strategien zur Erhöhung der Aufbauraten Ziel Wirtschaftlichkeit von LMD zu erhöhen, damit industrieller Einsatz ausgebaut werden kann: Ansatz: Tests mit unterschiedlichen Optiken und Düsenkonzepten 17

17 Strategisches Ziel: Wirtschaftlichkeit von LMD zu erhöhen Maßnahme: Einsatz von FO für LMD Motivation: Optik PFO Flexible Programmierung: unterschiedliche Geometrien und Abmessungen vom Schmelzbad Near top hat Energieverteilung Laserleistung bis 8 KW für den Dauerbetrieb 18

18 Erste Ergebnisse mit FO (1/2) Eckdaten: Spurbreite ca. 14 mm Versuche mit Laserleistungen bis 8 KW, Vorschubgeschwindigkeit 400 mm/min Tests mit Off-axis-Düse (Fraunhofer ILT) und Koaxial-Düse (Fraunhofer IWS) durchgeführt Fe-Basislegierung Metco 42C und Ni-Basislegierung Inconel 718 als Zusatzwerkstoffe ca. 2,6 mm Schilffbild (Metco 42C als Zusatzwerkstoff) Schliffbild (Inconel 718 als Zusatzwerkstoff) Schichtstärke (1 Lage): ca. 2,6 mm Aufbaurate: 690 cm 3 /h (4,95 Kg/h) Pulverwirkungsgrad ca. 90% 19

19 Erste Ergebnisse mit FO (2/2) Erhöhte Aufbaurate (ca. 690 cm 3/ h) konnte für ein- und mehrlagige Beschichtungen erzielt werden Pulvewirkungsgrad von ca. 90 % erreicht LMD wird wettbewerbsfähig im Vergleich zu anderen Verfahren, wie z. B. PTA Trotzdem bleiben die Vorteile der Lasertechnologie: reduzierte Schichtstärke möglich, hohe Reproduzierbarkeit, hoher Automatisierungsgrad, lokale Wärmeeinbringung etc. 14mm Beschichtung mit Inconel 718 als Zusatzwerkstoff (einund mehrlagig) Beschichtung mit Inconel 718 mit Zusatzwerkstoff (Nahaufnahme) 20

20 Technologievergleich Laser Metal Fusion Laser Metal Deposition LMF Kriterium LMD Laser Scanner Prozessrichtung Pulver Beschichter LMF Loses Pulver Bauplattform LMD aufgetragenes Material Aufmischungsbereich Laserstrahl Pulverstrahl Schutzgas Absenken der Bauplattform Fraunhofer IPK (Germany) Schmelzbad Arbeitsebene Geometrische Komplexität (mit Vorheizung) Bandbreite Material (10-70 cm³ / h) Aufbaurate ( cm³ / h) (< 0,1 mm) Genauigkeit (< 0,5 mm) (Ra 5-10 µm) Oberflächenqualität (Ra µm) Teile Kosten Nutzung für Herstellung von Metallkomponenten Mit Standard-Technologie 21

21 Generierung von Strukturen mittels LMD Bandbreite Wabenstruktur: Wandstärke ca. 0,3 mm Mittels Strategien zur Erhöhung der Aufbaurate: Wandstärke ca. 14 mm 22

22 Anforderungen an das Equipment Handhabungssystem: - Arbeitsraum - Positioniergenauigkeit Laserquelle: - nominale Leistung - Leistungsstabilität - Strahlqualität geeignete Düse(n) Pulverförderer - mehrere Behälter (zur Herstellung von Multilayer- oder gradierten Schichten) - Förderung reduzierter Pulvermengen Offline-Programmiersystem, Sensorik 23

23 Zusammenfassung Das Laserauftragschweißen wird heutzutage als etablierte Technik zur Instandsetzung von Bauteilen und Herstellung von Schichtsystemen mit definierten Eigenschaften betrachtet. Das Verfahren kann auch als additive Fertigungstechnologie zur Generierung von 3D- Strukturen und Fertigung von kompletten Bauteilen eingesetzt werden: - Funktionale Schichten und Volumina können auf vorhandenen Oberflächen aufgetragen werden. - Bauteile können ohne verfahrensbedingte Größenbeschränkungen generiert werden. - Erhöhte Aufbauraten können erzielt werden. - Multilayer- und gradierte Schichtsysteme können hergestellt werden. - Wandstärken zwischen 0,4 und 14 mm mit einer Spur Als Zusatzwerkstoffe kommen FeNiCr-Basislegierungen, Co-Basislegierungen, karbidhaltige Materialien sowie Ni- und Ti-Basislegierungen zum Einsatz. Laufende Aktivitäten in den Bereichen Programmierung und Sensorik 24

24 INDUSTRIEWORKSHOP Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr. Antonio Candel Ruiz Industry Management Laser Surface Treatment TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH Johann-Maus-Straße Ditzingen Germany Phone: antonio.candel-ruiz@de.trumpf.com Internet: INDUSTRIEWORKSHOP, Dr. Antonio Candel-Ruiz