Funktionalisierte Düsen für die Materialbearbeitung

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1 Funktionalisierte Düsen für die Materialbearbeitung Stefan Lorenz, Stefan Ulrich, Thomas Ebersbach, Steffen Thomas, Marco Müller, Sabine Sändig, Simon Jahn

2 Gliederung Gasdüsen in der Lasermaterialbearbeitung Spritzgießen von Kunststoffen Entlüftungsbohrung Laserstrahlschweißen von hochlegierten Werkstoffen Schutzgasabdeckung Zusammenfassung Dr.-Ing. Simon Jahn 2

3 Gasdüsen für die Lasermaterialbearbeitung Gasdüsen in der Lasermaterialbearbeitung Gasdüsen dienen der Führung von: Prozessgas (z. B. Schneidgas zum Austreiben der Schmelze) Schutzgas (Vermeiden von Reaktionen mit der Umgebung) Kombination Anpassen der Düsengeometrie an zu bearbeitendes Bauteil Geometrie beeinflusst Gasverbrauch und Standzeit Applikationsoptimierte Schneidgasdüse (Quelle: ifw) Dr.-Ing. Simon Jahn 3

4 Spritzgießen von Kunststoffen Herausforderung: Brandstellen durch extrem schnelles Einspritzen (45 ccm/s) [KTS] Test-Werkzeugeinsatz [Quelle: Bericht IFW] Dr.-Ing. Simon Jahn 4

5 Spritzgießen von Kunststoffen Werkzeugeinsatz Werkstückseite P einströmender Kunststoff Druckaufbau in einen Werkzeugeinsatz beim Spritzgießen (IFW) Dr.-Ing. Simon Jahn 5

6 10 mm > 80 mm Spritzgießen von Kunststoffen Lösungsansatz: Erzeugen einer Entlüftungsbohrung Perkussionsbohren Werkzeugeinsatz Tasche Mikrobohrung d = 60 µm Mikrobohrung d = 60 µm Bohren eines Werkzeugeinsatzes (IFW) Dr.-Ing. Simon Jahn 6

7 Beispiel 1: Entwicklung einer Laserstrahlbohrdüse Anpassen des Lasersystems Spiegel Laserkopf Fokussieroptik LASER-Quelle Teleskop angepasste Gasdüse Tasche Bohren eines Werkzeugeinsatzes (IFW) Dr.-Ing. Simon Jahn 7

8 Düsenkonstruktion Herausforderung Anpassen der Gasdüse an die zu bearbeitenden Geometrien Strahlkaustik berücksichtigen Eckdaten: 163 mm Brennweite verstärkter zylindrischer Bereich zum Einspannen Gasaustrittöffnung d = 1,5 mm Baurichtung Gasdüse zum Laserbohren (IFW) Dr.-Ing. Simon Jahn 8

9 Düsenkonstruktion Anpassungskonstruktion der Gasdüsen (IFW) Dr.-Ing. Simon Jahn 9

10 Düsenaufbau Eckdaten: hochlegierter Edelstahl perforierte Stützstrukturen Gasdüse zum Laserbohren in der CAM-Vorbereitung (IFW) Dr.-Ing. Simon Jahn 10

11 Einsatz der Laserstrahlbohrdüse Mikrobohrungen mit ca. 60 µm Bohrungstiefen bis 10 mm REM-Aufnahme der Strahlaustrittseite, ca. 60µm neue und originale Bohrdüse (IFW) Dr.-Ing. Simon Jahn 11

12 Schweißen von hochlegierten Werkstoffen Herausforderungen: Anlauffarben Abbrand von Legierungselementen im Bereich der Schweißnaht mangelhafte Korrosionsschutzausbildung im Bereich der Schweißnaht Schweißergebnis mit der Standardschutzgasdüse (IFW) Dr.-Ing. Simon Jahn 12

13 Standardaufbau LASER-Quelle Spiegel Fokussieroptik Crossjet Schutzgasdüse Spannvorrichtung Werkstück Formiergaszuführung Formiervorrichtung prinzipieller Aufbau des Versuchsstandes (Quelle: ifw) Dr.-Ing. Simon Jahn 13

14 Prototyp einer Schutzgasdüse Schweißrichtung Vorlaufkammer Prozesskammer Schleppkammer Strömungsgleichrichter (ifw) Gasanschluss Werkstück prinzipieller Aufbau der 3-Kammerdüse mit Strömungsgleichrichter (Quelle: ifw) Dr.-Ing. Simon Jahn 14

15 Prototyp einer Schutzgasdüse Vorhänge unterstützen die Strömungsausbildung der Arbeitsabstand konnte auf 7 mm erhöht werden die Prozesskammer und die Vorhänge der Schleppdüse sind thermisch stark belastet experimentelle Schleppdüse (IFW) Dr.-Ing. Simon Jahn 15

16 SLM-gerechte Konstruktion integrierte Dreipunktaufhängung integrierte Gaszuführung mehrere Kammern zur Gasverteilung Strukturen zur Gasberuhigung symmetrische Strömungskanäle zurückgesetzte Strömungskanäle in der Prozesskammer Kühlrippen zur Wärmeabfuhr Unterseite der SLM-gefertigten Schleppdüse (Quelle: ifw) Dr.-Ing. Simon Jahn 16

17 SLM-gerechte Konstruktion Einzelteilanzahl: von 48 auf 1 reduziert Gitterstruktur zur Gasberuhigung in der Schleppdüse (Quelle: ifw) SLM generierte Schutzgasschleppdüse(Quelle: ifw) Dr.-Ing. Simon Jahn 17

18 Einsatz und Ergebnisse thermische Beständigkeit ist gewährleistet Arbeitsabstand von 7,5 mm auf 12 mm erhöht keine Matten mehr erforderlich Verbesserung der Schutzgasabdeckung mit experimenteller Schleppdüse Laserschweißnaht mit der experimentelle Schleppdüse (IFW) mit neuer Schleppdüse Schleppdüse am Laser (IFW) Laserschweißnaht mit der generierten Schleppdüse (IFW) Dr.-Ing. Simon Jahn 18

19 Zusammenfassung SLM-Technologie kann gezielt zur Funktionsoptimierung eingesetzt werden an den Laserstrahl angepasste Innengeometrie Verbesserung der Strömungsausbildung Übergreifende Entwicklungen sind oftmals von Bedeutung Anpassung des WZ-Einsatzes an den Prozess und Anpassung des Prozesses an den WZ-Einsatz SLM-Technologie als kostengünstige Fertigungstechnologie Reduzierung der Einzelteile der Systemkomponente Funktionsintegration Dr.-Ing. Simon Jahn 19

20 Danksagung / Hinweis Ergebnispräsentation der Forschergruppen: Energie- und ressourceneffiziente, sensorintegrierte Fertigung von Metallkomponenten , Uhr am ifw, Jena Projekt-Nr.: 2007 FE 9021 Verbund-Nr.: 2007 VF 0026 AIF: IGF16118BG Gefördert durch das Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Technologie und Arbeit aus Mitteln des Europäischen Sozialfonds. Dr.-Ing. Simon Jahn 20