Dreidimensionales Laserauftragschweißen für Titan- und Inconel-Legierungen

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1 Dreidimensionales Laserauftragschweißen für Titan- und Inconel-Legierungen Industrieworkshop Additive Fertigung mit flexiblen Prozessketten M. Sc. Torsten Petrat - Fraunhofer IPK IPK IPK IPK

2 Verkaufte Maschinen Motivation Kontinuierliches Marktwachstum in den letzten Jahren Quelle: Wohlers Report 2014 Hauptanwendungsbereich weiterhin Prototyping GM Industrieanforderungen: Hohe Produktivität Hohe Reproduzierbarkeit Hohe Präzision 2

3 Motivation Ziel: Weiterentwicklung des Laser-Pulver-Auftragschweißens im Einsatzbereich der additiven Fertigung. Entwicklung angepasster Aufbaustrategie Gleichmäßiger Materialauftrag Einsatz unterschiedlicher Spurgrößen innerhalb eines Bauteils Kombination von Fertigungstechnologien Entwicklung von Prozesskette aus Selektiv Laser Melting (SLM) und Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA) Optimierung von Bauteileigenschaften 3

4 Prozess 3-Strahl-Düse 5-Achs-CNC Maschine 2 kw Yb:YAG Scheibenlaser Trägergas: Helium Schutzgas: Argon Laserstrahl erzeugt lokales Schmelzbad Pulverförmiger Zusatzwerkstoff wird über Düse koaxial zugeführt Erstarrung der Schmelze resultiert in Materialauftrag 4

5 Prozess 5

6 Spurgröße Spurbreite Anbindungszone Spurhöhe Einfluss der Faktoren auf die Spurhöhe Pulvermassenstrom und Vorschub mit starkem Einfluss Laserleistung nahezu kein Einfluss Einfluss der Faktoren auf die Spurbreite Laserleistung mit starkem Einfluss Vorschub und Spotdurchmesser mit geringem Einfluss Pulvermassenstrom nahezu kein Einfluss Spurgeometrie über unterschiedliche Parameter einstellbar 6

7 Spurgröße Parameterdatenbank zur Erreichung hoher Endformnähe Generierung von Auswahl verschiedener Spurbreiten Lagenerzeugung durch Überlappung von Einzelspuren Gleichmäßig ebener Flächenaufbau bei Spurüberlappung von ca. 30% Identifikation optimaler Spurparameter durch Berechnung aus Körperbreite, Spurbreite und Spurüberlappung Spurabstand Spurüberlappung 7

8 Spurgröße z x Kleine Spuren: Hohe Endformnähe Geringer Materialauftrag Geringe Produktivität Große Spuren: Hoher Materialauftrag Hohe Produktivität Geringe Endformnähe y x 8

9 Tannenbaumprofil Variante 1 Variante 2 Variante 3 Grundkörper Kernkörper Zapfen Seitenfüße Schweißparameter Material: V4A Fein Mittel Grob Laserleistung P in W Spotdurchmesser d in mm Vorschub v in mm/min Pulvermassenstrom ṁ in g/min

10 Tannenbaumprofil Pendelstrategie zum Aufbau einer Fläche Gewährleistung einer gleichmäßigen Steigung Verschiebung des Startpunktes bei Höhenänderung Variation des Spurabstandes für beidseitig gleichmäßige Steigung 10

11 Tannenbaumprofil 5 mm Fehlerhafte Anbindung mit gemischten Spurgeometrien bei Aufbaureihenfolge (A) Überhöhung benachbarter Fläche Gestörte Schmelzbadausbildung Fehlerfreie Anbindung bei Aufbaureihenfolge (B) 11

12 Tannenbaumprofil Aufbau des Tannenbaumprofils auf SLM Bauteil Geteilte Kernkörperfläche zur Wärmestauvermeidung Gleichmäßige Steigung im Bereich der gemischten Spurgeometrien Hilfswände 10 mm Hilfswände Ausgleich von Abweichungen Verbesserte Schmelzbadausbildung 12

13 Tannenbaumprofil SLM LPA IPK Einsatz gemischter Spurgeometrien zeigt vergleichbare Endformnähe und sechsfach höhere Produktivität gegenüber Aufbau mit feinen Spuren. 13

14 Zylinder Fläche1 = F1 Kreis = K Fläche2 = F2 Strategie Zusammensetzung Material Startpunktrotation S1 F1 + K V4A 0 S2 K + F1 + K V4A 0 S3 K + F1 + K V4A 95 S4 K + F1 + K Ti-6Al-4V 95 S5 K + F2 + K Ti-6Al-4V 95 14

15 Zylinder S1 S2 S3 18 mm 18 mm 18 mm 15

16 Zylinder S8 S5 16

17 Zylinder Unterbindung von Fehlerfortpflanzung o Variation des Spurabstands o Startpunktrotation 17

18 Zylinder IPK Konstanter Fertigungsprozess von mehr als 200 Lagen 18

19 Leitschaufel Wiederaufbau des Anschlussbereichs einer Turbinenleitschaufel Körpergrundfläche in Form eines U-Profils Berechnung optimaler Spurbreite für unterschiedliche Wandstärken Schweißparameter Inconel 718 Laserleistung P in W 800 Spotdurchmesser d in mm 1.0 Vorschub v in mm/min 1000 Pulvermassenstrom ṁ in g/min

20 Leitschaufel Anpassung der Aufbaustrategie zur Fehlervermeidung Startpunktverschiebung entlang der Außenkante Aussparungen zur Vermeidung von Überhöhung bei Randausgleich 20

21 7,5 mm Leitschaufel Start Anbindungsfehler zwischen Randspur und Innenfläche Abfall der Randbereiche Störung der Schmelzbadausbildung Wiederholtes Fahren der Randspuren Fester Startpunkt Fehlersummation nach wenigen Lagen Abweichungen von mehr als einer Lagenstärke Startpunktverschiebung 21

22 21 mm Leitschaufel Start-/Endpunkt Erreichung eines konstanten Bauverhaltens Keine Überhöhung im Steigungsbereich Gute Anbindung zwischen Randspur und Innenfläche Startpunktverschiebung Verschiebung entlang der Außenkante P8P1 Verringerung der Eckpunktüberhöhung Start-/Endpunkte auf Wandfläche erkennbar 22

23 Leitschaufel Oberflächentoleranzen aufgrund des Treppeneffektes Erhöhte Welligkeit im Bereich geneigter Oberflächen Übermaß zur Erreichung des gewünschten Endmaßes einbeziehen Aussparungen an geneigten Flächen notwendig 23

24 Turbinenbrenner 52 mm C1 C2 C3 SLM LPA Fertigungskombination SLM-LPA Anschlussbereich des Brenner Teilung in 3 Bereich C1, C2, C3 Hohlzylindergeometrie 24

25 Turbinenbrenner Änderung der Startpunktposition 95 Verschiebung entlang der Kreiskontur Wechsel zwischen Innen- und Außenbereich 25

26 Turbinenbrenner LS 1: Abfallende Bauteilkante im Startbereich (Bild a) LS 2: Geringer abfallende Kanten in Start- und Endbereichen LS 3: Gleichmäßiger Volumenaufbau bei 12 Lagen (Bild b) Kantenabfall 52 mm 52 mm a) b) 26

27 Turbinenbrenner 52mm Bereich C1 Bereich C2 Bereich C3 Anschlussbereich C1, C2 und C3 einzeln auf einem Substrat Strategieentwicklung für jeweiligen Volumenabschnitt Unterschiede in Höhe und Breite Used strategies show good results 27

28 Turbinenbrenner 42 mm a) b) 170 mm Innenwand der kombinierten Teilkörper mit jeweils 10 Lagen, Bild a) Gesamter Brenneraufbau mit variierender Zahl an Lagen je Körper, Bild b) 9 Lagen bei Teilkörper C1 6 Lagen bei Teilkörper C2 4 Lagen bei Teilkörper C3 28

29 Turbinenbrenner Laser-Pulver-Auftragschweißen Selektive-Laser-Melting 5 mm Bereich C3 Bereich C2 Bereich C1 PS 5 PS 4 PS 2 Porositätsanalyse mit Imagic IMS Client auf Grundlage des metallographischen Schliffbildes Porosität teils bis zu 3% im LPA Bereich Poren in C1 und C2 im Bereich der Spur- sowie Lagenanbindung Zu geringe Laserleistung resultiert in Anbindungsfehler Härteverlauf im LPA Bereich nahezu konstant bei 220 HV1 bis 260 HV1 Im Vergleich zu SLM eine geringere Härte von 50 HV1 to 100 HV1 29

30 Zusammenfassung Angepasste Aufbaustrategien steigern Endformnähe und Aufbaurate. Startpunktverschiebung verhindert Fehlersummation. Aufbaustrategien auf unterschiedliche Werkstoffe übertragbar. 30

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! M.Sc. Torsten Petrat Füge- und Beschichtungstechnik Fraunhofer IPK Pascalstraße Berlin Telefon: / torsten.petrat@ipk.fraunhofer.de 31