Einsatz ein- und mehrlagiger generativer Fertigungsverfahren. Dipl.-Ing. Frederik Feuerhahn

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1 Einsatz ein- und mehrlagiger generativer Fertigungsverfahren Dipl.-Ing. Frederik Feuerhahn Produktion Nordwest, Emden 07. Mai 2015

2 Unternehmensdaten Gründung: 1977 Rechtsform: GmbH (gemeinnützig) Leitung: Inhalte: Ziele: Prof. Dr.-Ing. F. Vollertsen Prof. rer. nat. R. Bergmann Dipl.-Kffr. E. Taulien-Matthies - Materialbearbeitung und Bearbeitungssysteme - Optische Messtechnik und optoelektronische Systeme - Forschung und Entwicklung - Technologietransfer Mitarbeiter: 110 Kunden: - Industrie - Öffentliche Hand 2

3 Branchenportfolio Automotive Luft- und Raumfahrt Schiffbau und Meerestechnik Energieerzeugung Energietransport Consumer Electronics Medizintechnik Sicherheitstechnik 3

4 Gliederung Einlagige Prozesse Laserpulverauftragsschweißen (LPA) LPA Prozessüberwachung LPA Prozessregelung Mehrlagige Prozesse Selektives Laserstrahlschmelzen (SLM) im SFB 747 Mikrokaltumformen SLM Werkzeugeinsätze aus Hartmetall SLM Prozessstabilität 4

5 Laserpulverauftragsschweißen LPA Laser als Wärmequelle Pulverförmiger Zusatzwerkstoff Aufschmelzen von Bauteilrandschicht und Pulver Defektfreier Überzug mit schmelzmetallurgischer Anbindung Volumenaufbaurate typ. 10 cm 3 /min Feuerhahn 2015 BIAS ID

6 LPA Einzellagig Beispiele Modifizieren eines Spritzgusswerkzeugs Rekonditionierung von Schiffdieselkurbelwellen Reparatur eines Abformwerkzeugs 6

7 Warum Thermometrie? Temperaturfelderfassung während der Prozessentwicklung: Verständnis von Prozessparametereinflüssen Verständnis von Wirkmechanismen transienter Temperaturverteilung auf Werkstoff- und Bauteilverhalten Validierung von Simulationsergebnissen Temperaturfelderfassung in industrieller Produktion: Qualitätskontrolle (Dokumentation, Nachweis, Fehleranalyse) Prozessregelung zur aktiven Qualitätssteuerung Köhler 2014 BIAS ID

8 Anforderungen an Thermometriesysteme Zugänglichkeit der Messstelle Hohe räumliche Auflösung Breites Temperaturspektrum Robust gegen Prozessemissionen Hohe Messfrequenz Köhler 2014 BIAS ID

9 Temperatur Laserausgangsleistung Prozessregelung mit 2 Kanal Pyrometer Koaxiale Erfassung der Prozesstemperatur Temperaturregelung, typischerweise über Laserausgangsleistung Temperatur C C s 100 Zeit s 100 Zeit W W Laserleistung Stellite 21 steel Feuerhahn 2015 BIAS ID

10 2-Kanal Kamera: HDRC -Q-PyroCam Technische Eckdaten: 2D Quotienten-Pyrometer Temperaturbereich: 650 C (~600 C) 1900 C (3000 C) ~ 5 K Temperaturauflösung Auflösung: 640 x 480 px (oder ROI) Bildrate: aktuell 12/s (> 100 Hz), streaming Köhler 2014 Projektpartner: IMS CHIPS: PyroCam-Technology (F&E, Produktion, Qualifizierung/ Kalibrierung) Grundlegende Kamera-Software (z.b. live-bildauslesen, Bildeinstellungen) BIAS: Grafische Benutzerschnittstelle Online-Bildverarbeitung Einbindung und Systemtest Einbettung in Regelkonzepte (aktueller Entwicklungsgegenstand) BIAS ID

11 Prozessbild vs. Thermoaufnahme Laserauftragsschweißen SLM T in C D Temperaturinformation in Falschfarben Temperaturinformation für jeden Pixel Schmelzbad und Abkühlung sind gut unterscheidbar Zeitaufgelöste Aufzeichnung zur nachgeschalteten, sowie online-bildverarbeitung Reflektionen von Wärmestrahlung an Werkstückoberfläche, Aufbau und Pulver Feuerhahn 2015 BIAS ID

12 Schmelzbadbreite Schmelzbadbreite Transiente Schmelzbadauswertung Schmelzbadbreite bei Vorschubgeschwindigkeit 1 m/min Melt pool width 5,0 mm 4, m Spurlänge mm Schmelzbadbreite bei Vorschubgeschwindigkeit 4 m/min Melt pool width 5.0 mm 4.0 3,5 3,0 2,5 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 m 1,8 5.0 mm 4.0 5,0 mm 4, ,5 3,0 Feuerhahn 2015 Track length 2,5 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 m 1,8 0.6 m Spurlänge Track length mm T in C BIAS ID

13 Anforderungsgerechte Oberflächen Motivation Einsatz von Leichtmetall für Maschinenbauteile! ABER: Oberflächeneigenschaften oft ungenügend Ziel Erzeugen eines Überzugs mit Funktionswerkstoff Herausforderungen 1. Schmelzpunktdifferenz Substrat-Zusatzwerkstoff 2. Auf-/Durchmischung 3. komplexe Bahnplanung Schutzgas Laserstrahl Zusatzwerkstoff Ringspaltdüse Überzug Vorschub, Substrat Köhler 2015 BIAS ID

14 Endkonturnahe Randschichtmodifikation Ansatz/Lösungsweg Laserauftragsschweißen mit gepulster Ausgangsleistung Vorschub: Laserleistung: 139 mm/s cw 1,5 kw 139 mm/s gepulst (1,25 +/- 1,21) kw Bahnplanung mit kommerzieller Software zur additiven Fertigung Geometrie CAD-Datensatz Endprodukt Prozesstrajektorie Köhler 2015 BIAS ID

15 Gliederung Einlagige Prozesse Laserauftragsschweißen (LPA) LPA Prozessüberwachung LPA Prozessregelung Mehrlagige Prozesse Selektives Laserstrahlschmelzen (SLM) im SFB 747 Mikrokaltumformen SLM Werkzeugeinsätze aus Hartmetall SLM Prozessstabilität 15

16 Anwendung in der Mikrofertigung Versagen von Mikroumformwerkzeug durch grobe Karbidzeilen 10 mm Herausforderung 200 µm Werkstoff: PM 20 µm Erfordert den Einsatz von Werkzeugstahl mit fein verteilten Karbiden Schlechte Schweißbarkeit von Werkzeugstahl erschwert die Verarbeitung durch additive Verfahren Werkstoff: X110 CrMoVAl mm 1mm Feuerhahn 2015, Quelle Flosky 2014 BIAS ID

17 Mikroumformwerkzeuge mittels SLM Generierung von Stanz-Ziehringen aus hochfestem Werkzeugstahl T [ C] Gefüge nach WB t [s] 20 µm 765 ±8.7 HV 10 Bereitstellung eines feinkörnigen Werkzeugstahls hoher Härte mit homogen verteilten sehr feinen Karbiden Generierter Rohling Endbearbeitetes Werkzeug Produkt 200µm Feuerhahn 2015 BIAS ID

18 Temperatur Temperatur Werkzeug mit konturnaher Temperierung Herausforderung: Vermeidung des Einlaufverhaltens im Mikrotiefziehprozess T3 T1 T2 T2 T1 Zeit Zeit Vorgehen: Temperatur geregeltes Tiefziehwerkzeug CAD Model Feuerhahn mm SLM generiertes Werkzeug, X110CrMoVAl BIAS ID

19 Generieren von Verschleißeinsätzen Herausforderung: Lokaler Verschleiß an Spritzgussformen Lösungsansatz: Konturnahe Abformwerkzeugeinsätze Einspritzkanal Schmelze Verschleiß durch Materialfluss Feuerhahn 2015 BIAS ID

20 Verarbeitung von Hartmetall als MMC Ausagangswerkstoff agglomeriert/gesintert Anlage Realizer 250 Laserleistung Scangeschwindigkeit Spurabstand Schichtdicke Spotdurchmesser 140 W 25 mm/s 0.25 mm 0.05 mm 0.2 mm Verarbeitet mittels Selektives Lasersintern (SLS) Werkstoff WC Co Rel. Dichte 98 % Härte 1350 HV0.3 Feuerhahn 2015 BIAS ID

21 Fügen der Werkzeugeinsätze durch Löten generierter WC-Co 83/17 Werkzeugeinsatz mm³ WC-Co 83/17 Werkzeugeinsatz gefügt durch Löten mit Werkzeugstahl H11 (1.2343) 10 mm Ofenlöten mit Kupferpaste unter Ar/H C 100µm Kupferlot infiltriert Kavitäten des generierten Werkzeugeinsatzes Hohe Fügeverbindungsqualität an erodierten sowie an as-processed Oberflächen 2 mm Feuerhahn 2015, ISAF, TU Clausthal BIAS ID

22 Verschleißvolumen Hochtemperatur Abrasionstest Verschleißuntersuchung an: Oberfläche Testtemperatur: 650 C Abrasiv: Quartz Dauer: 1 h Testgeometrie: mm³ mm³ Verschleißvolumen SLM WC-Co conventional gehärtet hardened Feuerhahn 2015, TU Clausthal BIAS ID

23 Reproduzierbarkeit des SLM-Prozess z Optikmaterial: BK7 Glas t = 0 t = Δz I max = 15.2 I max = MW cm² y x Absorption Erwärmung Deformation Veränderung der Brechzahl Fokusshift Feuerhahn 2015 BIAS ID

24 Optischeraufbau der SLM Anlage Faser Kollimator Isolator Lochblende Laser Teleskop Scanner f-ϑ Objektiv Referenzebene Bearbeitungsebene A B C Teleskop BK7 Quartzglas Quartzglas f-ϑ Objektiv BK7 BK7 Quartzglas f 0 / mm Feuerhahn 2015 BIAS ID

25 Strahlradius Δf / zr0 Ergebnis der Strahlcharkterisierung 40 8 µm P max = 200 W Normierte Laserleistung Normierte Laserleistung A B C Teleskop BK7 Quartzglas Quartzglas f-ϑ Objektiv BK7 BK7 Quartzglas f 0 / mm Feuerhahn 2015 BIAS ID

26 Strahlradius Transientes Verhalten des Laserspots µm f = 163 mm BK7 f = 277 mm Quarz BK Quartzglas P L = 200 W s 400 Zeit Feuerhahn 2015 BIAS ID

27 Zusammenfassung Generierung von 2,5-D-Bauteilen mittels Auftragsschweißen durch Bahnplanung mit kommerzieller Software Generierung von Verschleißschutzschichten mittels LPA auch bei Schmelzpunktdifferenz zwischen Substrat- und Zusatzwerkstoff durch gepulste Ausgangsleistung möglich Thermografie ist Schlüssel zu: Prozessverständnis und Qualitätssicherung in der Lasermaterialbearbeitung Regelung und bietet damit höchste Reproduzierbarkeit und Prozessbeherrschung Standzeiterhöhung von Mikroumformwerkzeugen durch Verarbeitung von hochfestem Werkzeugstahl mittels SLM auch mit konturnahen Temperierkanälen Fügen von generierte Werkzeugeinsätze aus Hartmetall ermöglichen eine Erhöhung der Standzeit von Spritzgusswerkzeugen Aufhebung des Fokusshift beim SLM durch Einsatz von Quartzoptiken 27

28 Danksagung Wir danken den Fördermittelgebern für die Förderung der Projekte VO 530/61 Dauerfestigkeit von Mittelschnellläuferkurbelwellen nach Rekonditionierung durch Laserstrahlbeschichten SFB 747 Mikrokaltumformen Teilprojekt C1 Generative Herstellung angepasster Werkzeugwerkstoffe für die Mikrokaltumforung VO 530/31-2 Laserstrahlbeschichten und Simulation der Temperatur- und Eigenspannungssituation DVS-Nr Generieren und Fügen von Hartmetall Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 28

29 Veröffentlichungen Koehler, H.; Partes, K.; Seefeld, T.; Vollertsen, F.: Laser reconditioning of crankshafts: From lab to application, Laser Assisted Net shape Engineering (LANE 2010), eds.: M. Schmidt, F. Vollertsen, M. Geiger, (2010), S Köhler, H.; Jayaraman, V.; Brosch, D.; Hutter, F.X.; Seefeld, T.: A Novel Thermal Sensor Applied for Laser Materials Processing; Physics Procedia, Volume 41, 2013, Neugebauer, F., Keller, N., Ploshikhin, V.; Feuerhahn, F., Köhler, H.: Finite-element simulation of temperature field in selective laser melting validated by thermal process monitoring, Proceedings of the 4th International Workshop on Thermal Forming and Welding Distortion, BIAS-Verlag (2014) Feuerhahn, F.; Schulz, A.; Seefeld, T.; Vollertsen, F.: Microstructure and properties of selective laser melted high hardness tool steel, Physics Procedia Vol. 41 (2013), Proc. of Lasers in Manufacturing Conference 2013, pp Köhler, H.; Seefeld, T.; Vollertsen, F.: Selective laser sintering of tungsten carbide inserts for local wear protection of injection molding tools, Proc. of the 18th Plansee Seminar (2013) Kühnle, T.; Partes, K.; Vollertsen, F.: Characterization of the thermal focus shift in a selective laser melting machine, Direct Digital Manufacturing Conference