ERANET Entwicklung eines CAM-basierten additiven Laserauftragschweißverfahrens zur adaptiven Herstellung von Multimaterialsystemen für Hochleistungsbauteile (MERANET-MatLaMeD)

Problemstellung
Additive Fertigungsverfahren, wie das Laserauftragschweißen, werden dazu eingesetzt, Produkte generativ herzustellen oder diese lokal zu optimieren. Bisher wird beim Laserauftragschweißen dazu ein Laserstrahl gezielt auf die Bauteiloberfläche fokussiert und gleichzeitig ein Zusatzwerkstoff – entweder als Pulver oder als Draht – zugeführt. Für den Werkzeug- und Formenbau ist dieses Verfahren seAdditive Fertigungsverfahren, wie das Laserauftragschweißen, werden dazu eingesetzt, Produkte generativ herzustellen oder diese lokal zu optimieren. Bisher wird beim Laserauftragschweißen dazu ein Laserstrahl gezielt auf die Bauteiloberfläche fokussiert und gleichzeitig ein Zusatzwerkstoff – entweder als Pulver oder als Draht – zugeführt. Für den Werkzeug- und Formenbau ist dieses Verfahren sehr interessant, da es sich hervorragend dazu eignet, flexibel Schutzschichten aufzubringen, beschädigte Bereiche zu reparieren oder Werkzeuge noch kurz vor Produktionsstart in ihrer Geometrie zu verändern. Bislang gehen beim pulverbasierten Laserauftragschweißen jedoch bis zu 70 Prozent des Pulvers ungenutzt verloren. Gerade bei teuren Pulvern ist dies unwirtschaftlich. Draht hingegen ermöglicht eine hundertprozentige Materialausnutzung. Allerdings sind heutige Drähte aus Speziallegierungen nur begrenzt erhältlich oder erfüllen nicht die Wunschkriterien eines Beschichtungsmaterials.

Projektziel
Ziel des Forschungsprojekts MatLaMeD war deshalb die Entwicklung einer hybriden Verfahrensvariante des Laserauftragschweißens. Hierbei wurden Draht und gleichzeitig kleinste Pulvermengen lokal zugeführt, um anwendungsoptimierte oder neuartige Werkstoffsysteme während der additiven Fertigung von Hochleistungsbauteilen beispielsweise mit verbesserter Festigkeit und Härte bereitzustellen. Parallel wurde eine spezielle Software erarbeitet, die es dem Anwender ermöglicht, die Prozessführung je nach gewünschter Materialbeschaffenheit individuell zu planen und den hybriden Prozess exakt einzustellen. Für den späteren Einsatz in der Industrie wurde ein Herstellverfahren für Draht weiterentwickelt, mit dem sich kostengünstig in großem Maßstab leistungsfähige, hochlegierte Spezialdrähte bereitstellen lassen.

Vorgehensweise
Um diese Ziele zu erreichen, wurden zunächst grundlegende Prozessuntersuchungen zum hybriden Laserauftragschweißen mittels Pulver und Draht durchgeführt und materialbezogene Prozessstrategien entwickelt. Diese Ergebnisse dienten als Basis für entsprechende Algorithmen, die in eine CAM-Software eingebunden wurden. Abschließend wurden zur Validierung Drahtziehwerkzeuge mit dem hybriden Laserauftragschweißverfahren erarbeitet und dann unter industriellen Bedingungen zum Drahtziehen hochlegierter Drahtwerkstoffe eingesetzt.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Die interdisziplinäre Zusammenarbeit innerhalb des Projekts über die Ländergrenzen hinaus mit belgischen Partnern schaffte nicht nur ein innovatives additives Fertigungsverfahren und neue Werkstoffsysteme. Sie stärkte auch durch den Wissensvorsprung auf den Gebieten der Lasermaterialbearbeitung und der Werkstoffwissenschaften die europäische Wettbewerbsfähigkeit in ökonomisch wichtigen Branchen, wie dem Werkzeug- und Formenbau.

• EXAPT Systemtechnik GmbH
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• ModuleWorks GmbH