Fraunhofer ILT demonstriert solides, zukunftsweisendes Portfolio

Fraunhofer-Institute sind Bindeglieder zwischen Forschung und
industrieller Anwendung. Das zeigt das Fraunhofer-Institut für
Lasertechnik ILT einmal mehr und eindrücklich auf der formnext vom 7. bis
zum 10. November 2023 in Frankfurt am Main. Jedes Exponat erzählt eine
Erfolgsgeschichte aus unterschiedlichen Branchen und Anwendungen, mit
völlig unterschiedlichen Materialien und Verfahren.

Seit mehr als 35 Jahren treibt das Fraunhofer ILT die Additive Fertigung
voran – insbesondere metallischer Bauteile, etwa mit Laser Powder Bed
Fusion (LPBF) oder dem Laserauftragschweißen (Laser Material Deposition
LMD). Im Fokus der breit aufgestellten Forschung steht neben dem Aspekt
der Nachhaltigkeit die Optimierung der Wirtschaftlichkeit. Dafür
betrachten die Laserexperten die Prozessketten ganzheitlich: vom
Bauteildesign über die Prozessführung, Materialien und Anlagentechnik bis
hin zur Endbearbeitung. In enger Zusammenarbeit mit führenden Unternehmen
ist das Aachener Institut kontinuierlich an spannenden
Entwicklungsprojekten beteiligt, von denen es einige auf dem Fraunhofer-
Gemeinschaftsstand Halle 11, Stand D31 vorstellt.

Neue Entwicklungen rund um das Extreme Hochgeschwindigkeits-
Laserauftragschweißen EHLA

Das neue Kombinationsverfahren Simultaneous Machining and Coating (SMaC)
beispielsweise vereint den EHLA-Beschichtungsprozess mit einem simultan
ablaufenden subtraktiven Fertigbearbeitungsschritt und steigert die
Produktivität enorm. Neben den wirtschaftlichen Vorteilen bietet das SMaC-
Verfahren im Vergleich zur konventionellen Prozesskette auch
technologische Vorzüge.

Die in dem Beschichtungsvorgang entstehende Prozesswärme führt zu einer
Entfestigung des Werkstoffs und damit zu einer einfacheren Zerspanung.
Dadurch ist eine werkzeugschonendere und schnellere Herstellung von
Korrosions- und Verschleißschutzschichten sowie funktionaler Oberflächen
möglich. Insbesondere beim Auftragen andernfalls schwer zerspanbarer,
hochfester Beschichtungswerkstoffe bietet die SMaC-Technologie erhebliche
Vorteile.

Das EHLA-Verfahren wurde primär für Verschleiß- und
Korrosionsschutzanwendungen von rotationssymmetrischen Bauteilen genutzt.
In den letzten Jahren hat es in Zusammenarbeit mit verschiedenen
Maschinenbauern und Endanwendern eine Weiterentwicklung der Anlagentechnik
und Prozessführung für die additive Fertigung gegeben, die als EHLA 3D
bezeichnet wird.

»Die hohen erforderlichen Relativgeschwindigkeiten können wahlweise durch
hochdynamische Bewegung der Bauteilplattform oder des Bearbeitungskopfes
erreicht werden«, erläutert Min-Uh Ko, Gruppenleiter Additive Fertigung
und Reparatur LMD. Als Beispielexponat dienen auf der formnext 2023
dünnwandige Aluminium-Bauteile, entstanden aus einer
Entwicklungskooperation mit der Ponticon GmbH.

»H2GO – Nationaler Aktionsplan Brennstoffzellen-Produktion« bündelt die
Aktivitäten von 19 Fraunhofer-Instituten mit dem Ziel, die CO2-Emissionen
des straßengebundenen Schwerlastverkehrs zu reduzieren. Das Konsortium
soll die industrielle Skalierung der Produktion von Brennstoffzellen in
Deutschland vorantreiben.

Das Fraunhofer ILT beteiligt sich hier an der Verbesserung von
Umformwerkzeugen zur Herstellung von Bipolarplatten. »Für das H2GO-Projekt
entwickeln wir eine physische und digitale Prozesskette zur Beschichtung
und Reparatur von Umformwerkzeugen mit dem EHLA-Verfahren«, erklärt
Fraunhofer ILT Projektleiterin Dora Maischner.

Die AM-Experten präsentieren die aktuellen Forschungsergebnisse anhand
eines besonderen Exponats: ein Umformwerkzeug, das mit EHLA beschichtet
und anschließend durch Lasermaterialabtrag fertigbearbeitet wurde. »Unser
Ziel ist es, auch für andere industrielle Anwendungen und Bereiche
einfache Beschichtungs- und Reparaturprozesse zu entwerfen, die Zeit und
Kosten im Werkzeugbau sparen«, so Maischner.

KI-basierte Prozessauslegung beim Laserauftragschweißen

Der Erfolg und die Effizienz der Bauteilfertigung mittels
Laserauftragschweißen (LMD) ist stark von der Geometrie der Bauteile
abhängig, da sie die Temperaturentwicklung im Prozess beeinflusst.
Konstante Verfahrensparameter und somit der konstante Energieeintrag führt
zu Abweichungen in der Dicke der aufgetragenen Lagen, weil sich mit der
Temperatur auch das Schmelzbadvolumen verändert. Insbesondere bei
komplexer Geometrie erfordert dies bisher eine zeitintensive
Prozessentwicklung.

Max Gero Zimmermann vom Fraunhofer ILT trainiert daher ein KI-Modell, um
die Zusammenhänge zwischen Laserleistung, Geometrie sowie weiteren
bauteilabhängigen Einflussfaktoren und der Größe der Schmelzbadoberfläche
zu lernen. »Zunächst trainieren wir das KI-Modell mit Daten aus einem LMD-
Prozess mit konstanten Verfahrensparametern beim Aufbau einer Geometrie«,
so Zimmermann. Das Modell soll schließlich die Vorhersage der
erforderlichen Laserleistung für einen stabilen Prozess ermöglichen, ohne
umfangreiche Experimente durchführen zu müssen, beispielsweise, wenn sich
die Geometrie eines Bauteils ändert.

»Der Aufwand für die Prozessentwicklung im LMD kann durch die Verwendung
des KI-Modells erheblich reduziert werden«, so Zimmermann weiter. Das
Modell soll zukünftig auch zur Vorhersage weiterer Verfahrensparameter,
wie der Vorschubgeschwindigkeit, erweitert werden.

Additive Fertigung für die Luft- und Raumfahrt

Durch die kontinuierlichen Verbesserungen der letzten Jahre ist die
Additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrt zu einer
Schlüsseltechnologie für die Herstellung von Leichtbaukomponenten und
-strukturen geworden. Funktionsfähige Bauteile lassen sich mit komplexen
Geometrien und definierten aerodynamischen Eigenschaften innerhalb
kürzester Zeit kosteneffizient fertigen.

Zudem können mithilfe von 3D-Druck schneller Prototypen erstellt, getestet
und optimiert werden, was zu einer beschleunigten Innovationsrate führt.
Dies wiederum verkürzt die Zeitspanne von der Konzeption bis zur Mission.
»Gerade im schnell wachsenden Markt kommerzieller Weltraumanwendungen
spielt die kostengünstige Produktion von Prototypen und Kleinserien eine
entscheidende Rolle«, erklärt Simon Vervoort, Gruppenleiter
Anwendungsentwicklung am Fraunhofer ILT. »Die kunden- und
anwendungsspezifischen Anforderungen an Teile für die Luft- und Raumfahrt
passen perfekt zu dem, was wir mit Additiver Fertigung herstellen können.«

Die Fraunhofer-Forschenden zeigen die Möglichkeiten der Additiven
Fertigung in der Luft- und Raumfahrt anhand verschiedener Exponate. Dazu
gehören LPBF-Raumfahrtkomponenten, die in Kooperation mit dem Space Team
Aachen hergestellt wurden – unter anderem ein gewichtsoptimierter
Drucktank, der zur Transpirationskühlung von Wiedereintrittskörpern im
Projekt TRACE (TRAnspiration Cooling Experiment) eingesetzt wird. Als
weiterer Demonstrator dient ein Gimbal zur Schubvektorsteuerung der
Versuchsrakete ALYA.

Besuchen Sie uns auf der formnext 2023, 7. bis 10. November in Frankfurt
am Main, Fraunhofer-Gemeinschaftsstand Halle 11, Stand D31.