POWDERscreen überwacht Pulverströme in die Laserschmelze
Messsystem eröffnet neue Perspektiven für die Additive Fertigung
Additive Fertigungsverfahren spielen im Automobilbau, der Raumfahrt und
weiteren Branchen eine wachsende Rolle: Wenn komplex geformte Bauteile
beziehungsweise Unikate herzustellen sind, setzen immer mehr Unternehmen
auf den industriellen 3D-Druck. Allerdings können die Einlaufkurven gerade
bei Kleinserien noch recht lang und die Ausschussquoten anfangs groß sein.
Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden
entwickelt daher moderne Mess- und Regeltechnik, mit der sich additive
Verfahren viel effektiver als bisher einsetzen lassen, zum Beispiel für
hochautomatisierte Fertigungsstrecken. Dazu gehört der POWDERscreen – ein
einzigartiges Pulvermessgerät für das Laserauftragschweißen. Das
Fraunhofer IWS demonstriert dieses innovative System im Mai 2022 während
der »3. Fachtagung Werkstoffe und Additive Fertigung« im Deutschen
Hygiene-Museum Dresden.
Konzipiert ist POWDERscreen für das Laserauftragschweißen. Bei diesem
additiven Fertigungs-, Beschichtungs- und Reparaturverfahren fördern
Spezialdüsen konzentrierte Ströme aus Metallpulver genau in den Fokus
eines Laserstrahls. Der schmilzt das Pulver auf der Werkstückoberfläche
auf, um aus dieser Schmelze komplexe 3D-Strukturen zu erzeugen. Mit dem
Pulverstrommessgerät lässt sich künftig genau ausmessen, welche Metalle in
welcher Menge in den Laserfokus strömen. Dieser Ansatz kann die Kosten
beim pulverbasierten Laserauftragsschweißen senken, die Qualität der
erzeugten Bauteile verbessern und den ganzen Produktionsprozess exakt
wiederholbar gestalten – gerade dies ist in der Hightech-Industrie eine
besonders wichtige Anforderung.
Wichtiger Schritt zu einem geregelten Fertigungsprozess
»Bisher bleibt das pulverbasierte Laserauftragschweißen noch immer hinter
seinen Möglichkeiten zurück«, schätzt Rico Hemschik ein. Der Ingenieur am
Fraunhofer IWS hat POWDERscreen entwickelt. »Mit dem Pulverstrommessgerät
gehen wir einen großen Schritt hin zu einem effizienteren, geregelten und
automatisierten additiven Fertigungsprozess.« Um dies zu ermöglichen,
kombiniert das System moderne Sensorik mit spezieller Software, einem
Bildschirm sowie Schnittstellen für die Datenübergabe. Photosensoren
zählen hier die Partikel im Pulverstrom, die Software berechnet daraus die
Fördermengen. Der Bildschirm zeigt dem Maschinenführer die aufbereiteten
Daten an.
Ein besonderer Vorteil ist die universelle Einsatzfähigkeit: Der
POWDERscreen lässt sich an jeden Prozesskopf für das Pulver-
Laserauftragschweißen montieren. Ein Anwendungsbeispiel, in dem der
POWDERscreen seine Stärken besonders gut ausspielt, ist die Düse
COAXquattro. Dieser Prozesskopf wurde am Fraunhofer IWS entwickelt, um bis
zu acht verschiedene Pulver oder Drähte in getrennten Kanälen in den
Laserfokus zu fördern und dort In-situ-Legierungen zu erzeugen. Da die
COAXquattro pro Kanal bis zu 30 Gramm je Sekunde unterstützt, lassen sich
hier erhebliche Pulverraten erzielen. Wegen der großen Fördermengen eignet
sich die Kombination aus COAXquattro und POWDERscreen besonders für
Hochleistungsprozesse, in denen große und komplexe Bauteile mit hoher
Qualität, Reproduzierbarkeit und Geschwindigkeit erzeugt, beschichtet oder
repariert werden müssen.
POWDERscreen lässt sich aber auch mit weiteren Prozessüberwachungssystemen
kombinieren, die das Fraunhofer IWS entwickelt hat. Dazu gehören unter
anderem die Emaqs-Kamera für die Prozessreglung, die Sensorik-Box COAXjay
oder das Messsystem LIsec für die Pulverkegel-Geometrie. Über seine
Schnittstellen lässt sich POWDERscreen gemeinsam mit diesen Geräten in
moderne Industrieumgebungen oder Lösungen für das Industrielle Internet
der Dinge (IIoT) integrieren. Möglich ist beispielsweise eine analoge
Datenausgabe über eine Spannungs-Schnittstelle, über das IIoT-Protokoll
»Message Queuing Telemetry Transport« (MQTT) oder die Datenübergabe per
Software.
Automatische Genese von »Digitalen Zwillingen« möglich
Solche kombinierten Prozessüberwachungssysteme sollen künftig auch
selbstständig Digitale Zwillinge von additiv erzeugten Bauteile
generieren. Denn die Informationen darüber, an welcher Stelle der Laser
welches Pulver in welcher Menge aufgeschmolzen, legiert und geformt hat,
lassen sich prinzipiell auch automatisiert zu einem virtuellen
Computermodell zusammenführen. Mit herkömmlichen Methoden wäre es schwer
bis unmöglich, solche lokalen Legierungsveränderungen innerhalb eines
Bauteils exakt zu modellieren.
Große Einsatzpotenziale für POWDERscreen sehen die Forschenden am
Fraunhofer IWS unter anderem in der Luft- und Raumfahrt. Dort lässt sich
das System beispielsweise einsetzen, um kompliziert geformte
Turbinenschaufeln mit additiven Verfahren in gleichbleibend hoher Qualität
zu reproduzieren und zu reparieren. Ähnliches gilt für Prägewerkzeuge im
Automobilbau oder die Prototypenfertigung quer durch nahezu alle
Industriebranchen.
Wenn Maschinenführer in Zukunft pulverbasierte Laserauftragsschweißanlagen
nicht mehr »freihändig« und mit vielen Versuchen einrichten müssen,
sondern auf der Basis exakt erfasster und wiederholbarer Prozessparameter,
dann liegen die Vorteile auf der Hand: Die Einlaufkurve verkürzt sich, die
Ausschussquote zu Beginn einer Kleinserie sinkt. Zudem werden die Prozesse
dadurch effizienter und in hoher Qualität reproduzierbar. Nicht zuletzt
lassen sie sich künftig automatisiert dokumentieren – was wiederum wichtig
für spätere Garantiefälle sein kann.
Während dieser Tagung der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde e. V.
(DGM) richtet das Institut am 12. Mai 2022 das Symposium »High Entropy
Alloys: Potential for industrial applications« aus. Im Fokus stehen dabei
die Möglichkeiten und Herausforderungen der Industrialisierung neuartiger,
sogenannter Hochentropielegierungen für potenzielle Anwender.
Weitere Informationen im Internet:
HEA-Symposium: https://s.fhg.de/hea-2022
Fachtagung: https://dgm.de/additive/2022/
Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e. V.: https://dgm.de/
