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Ziel der Entwicklung

Die zukunftsweisende Technologie der additiven Fertigungsverfahren erfreut sich weiterhin wachsender Beliebtheit. Im Gegensatz zu konventionellen Verfahren führt eine steigende Komplexität der Bauteilgeometrie nicht zu exponentiell steigendem, produktionsbedingtem Kosten- und Zeitaufwand, sondern hält ihn auf einem nahezu konstanten Niveau. Die Fertigungskosten dieser additiv gefertigten Bauteile werden durch neue Methoden weiter reduziert. Eine Möglichkeit, Kosten zu sparen, ist es, das Bauteil so im Bauraum der Strahlschmelzanlage zu positionieren, dass die Bauhöhe minimiert wird, sodass durch weniger erzeugte Schichten die zeitintensiven Beschichtungszyklen zu reduziert werden. Eine weitere Möglichkeit der Kostenreduzierung ist, ein konventionell gefertigtes Bauteil (Halbzeug) in dem Bauraum der Anlage zu positionieren und additiv auf ihm weiter zu fertigen. Dies stellt eine besondere Herausforderung an die Positionierung im Bauraum der Anlage und für den Anlagen-Anwender dar und wird bisher nur selten in einer Serienproduktion eingesetzt. Wird versucht, die Vorteile der beiden Varianten zu vereinen, also die Bauhöhe zu reduzieren und konventionell gefertigte Teile mit additiv gefertigten Teilen zu verbinden, ergibt sich eine weitere Möglichkeit, die Kosten zu reduzieren. Ziel des Forschungsvorhabens war daher die Entwicklung eines Laserstrahlschweißprozesses für das stoffschlüssige Verbinden von PBF-Bauteilen als hybride oder reine PBF-Variante von artgleichen Werkstoffen.

Vorteile und Lösungen

Auf eine Fügeflächenvorbehandlung der additiv gefertigten Halbzeuge durch bspw. Drehen wurde bewusst verzichtet. Im Zentrum der Untersuchungen standen der austenitische Werkstoff 316L, die im PBF-Verfahren häufig verwendete Aluminiumlegierung AlSi10Mg sowie die Nickelbasislegierung IN718. Zudem wurden verschiedene Oberflächengüten und Herstellungsverfahren miteinander kombiniert. Durch die Verwendung von unterschiedlichen Pulverarten und Prozessparametern beim Aufbau der PBF-Bauteile sowie unterschiedlichen Fertigungsverfahren bei der Herstellung der konventionellen Bauteile war der Einfluss der Oberflächengüte darstellbar. Für das Material 316 L stand sowohl wasserverdüstes als auch gasverdüstes Pulver zur Verfügung. Beim Werkstoff IN78 sind zunächst zwei Testchargen, gröberes (45=D50=135) und feineres Pulver (30=D50=60), untersucht worden. Das Pulver für den Werkstoff AlSi10Mg kam hier in gasverdüster Form zum Einsatz. Die Erzeugung fehlerfreier und formgenauer PBF-Bauteile ist von den Prozessparametern der Strahlschmelzanlage abhängig. Daher wurden für die zu verarbeitenden Pulver jeweils zwei Parametersätze entwickelt, um unterschiedliche Oberflächengüten zu erzeugen. Die Grundlage für die statistische Versuchsplanung lieferten Vorversuche in Form von Blindschweißungen an konventionell erzeugten sowie an PBF-Halbzeugen. Ergänzend sind Untersuchungen an hybriden Verbindungen, als I-Naht im Stumpfstoß ausgeführt, durchgeführt worden. Dadurch konnten die Einschweißgrenze und die Grenze eines Schmelzbaddurchbruchs experimentell bestimmt werden. Für die Strahlaufweitung und -formung wurden asphärische optische Elemente angeschafft. Durch die Integration in die Anlagentechnik erfolgt die Umwandlung eines kollimierten Gaußstrahls in ein TopHat- bzw. Donut-Profil im Fokus. Mittels eines Strahlanalysesystems ist die Strahlvermessung bei einer Laserleistung von 400 W durchgeführt worden. Die Werkstücke wurden in einer Schweißvorrichtung zentrisch eingespannt und in Wannenlage (PA) in I-Naht, als Stumpfstoß ausgeführt, verschweißt, wobei der Vorschub durch die Drehachse realisiert wird. Hauptaugenmerk ist eine definierte Positionierung der Probenkörper bei Stumpfstoßschweißung und „as-build“ Körperkanten (der PBF-Halbzeuge) bei unterschiedlichen Halbzeugdurchmessern. Anschließend wurden die gefertigten Proben zerstörungsfrei und zerstörend untersucht auf ihre Nahtgeometrie, Porosität, Rauheit und Gasdichtheit untersucht. Das geplante Ziel des Vorhabens – die Entwicklung eines Laserstrahlschweißprozesses für das stoffschlüssige Verbinden von PBF-Bauteilen als Hybride oder reine PBF-Variante von artgleichen Werkstoffen – wurde erreicht. Durch Hinweise hinsichtlich des Handlings und der Prozessführung wird der Anwender in die Lage gebracht, zielgerichtet PBF-Bauteile mit artgleichen oder mit konventionellen Bauteilen zu verschweißen. Additiv hergestellte Bauteile können unter spezifischen Bedingungen mit konventionellen oder additiv hergestellten Bauteilen durch Laserschweißen verbunden werden. Sie erfüllen dabei grundlegende Anforderungen an die Nahtqualität, Gasdichtheit, mechanische Festigkeit und den Porenanteil nach Norm. Wichtig für die Erreichung einer qualitativ hochwertigen Verbindung ist die Ermittlung der spezifischen Parameter für die jeweilige Kombination der Materialpaarung. Als Prozessparameter sind hauptsächlich die Laserleistung, die Schweißgeschwindigkeit und die Streckenergie – resultiert aus Leistung und Vorschub - zu berücksichtigen. Bei einer zu hoher Streckenenergie, bezüglich Material und Wanddicke, war eine erhöhte Porenbildung zu beobachten. Weiterhin zeigte sich, dass die Kombination aus Laserleistung und Vorschub maßgeblich zu einer sicheren Spaltüberbrückung bei den reinen PBF-Verbindungen beiträgt.

Zielmarkt

Die aus dem Forschungsvorhaben generierten Erkenntnisse tragen zu einer Leistungssteigerung des Laserschweißens bei, was zu einem verbreiteten Einsatz oder sogar zur Übertragung der Erkenntnisse auf weitere Fügeprozesse führen könnte. Dies liegt darin begründet, dass neben dem Schweißen konventionell hergestellter Halbzeuge die Angebotspalette durch hybride oder reine PBF-Verbindungen erweitert wird. Zudem muss nicht auf größere Bauräume seitens der PBF-Anlagentechnik zurückgreifen werden. Sowohl das Schweißen der Bauteile als auch der Verzicht auf Maschinen mit riesigen Bauräumen führt zu einer höheren Produktivität und gesteigerter Kosteneffizienz.