EHLA 3D: Eroberung der dritten Dimension
Das am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelte Extreme
Hochgeschwindigkeits-Laserauft
umweltfreundliche Alternative zu den herkömmlichen Beschichtungsverfahren.
Wesentliche Vorteile bringt es vor allem dort, wo metallische Bauteile
extrem beansprucht und deshalb durch Beschichtung vor Korrosion und
Verschleiß geschützt werden sollen. Zusammen mit der Ponticon GmbH
arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer ILT unter
der Bezeichnung EHLA 3D nun daran, das patentierte Verfahren für die
additive Fertigung weiterzuentwickeln und damit die Möglichkeiten des
Verfahrens um ein Vielfaches zu erweitern.
Metallische Bauteile sind häufig extremen Bedingungen ausgesetzt. Zum
Beispiel beim Einsatz in der Luft- und Raumfahrt, auf Ölbohrplattformen im
Meer, in Form von Papierwalzen, Hydraulikzylindern oder als Bremsscheiben
in Autos. Spezielle Beschichtungen sollen die Werkstoffe deshalb vor
Korrosion und schnellem Verschleiß bewahren. Mit dem technologischen
Fortschritt jedoch steigen die Anforderungen auf dem internationalen Markt
stetig. Die Nachfrage ist infolgedessen zunehmend gekennzeichnet vom
Bedarf nach noch schnelleren Produktionszeiten, individuellen und hoch
performanten Bauteilen sowie einem enorm hohen Preisdruck.
Keines der herkömmlichen Verfahren jedoch genügt diesen Standards noch.
Sie sind weder ausreichend flexibel, ressourceneffizient noch
wirtschaftlich genug, um schmelzmetallurgisch angebundene, dünne Schichten
mit hoher Qualität auf Bauteil-Oberflächen aufzutragen. Das
Hartverchromen, bis vor nicht allzu langer Zeit das gängigste Verfahren,
wird von der EU seit September 2017 nur noch unter strengen Auflagen
zugelassen. Denn die elektrochemische Abscheidung von giftigem Chrom (VI)
schädigt die Umwelt nachhaltig.
Um diese Lücke zu schließen, haben Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler des Fraunhofer ILT deshalb ein alternatives
Beschichtungsverfahren entwickelt: das Extreme Hochgeschwindigkeits-
Laserauftragschweißen EHLA. Seit 2015 kommt es insbesondere für
Beschichtungen zum industriellen Einsatz, jetzt erfolgt für EHLA der
Schritt in die dritte Dimension.
Die perfekte Grundlage
EHLA punktet im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren in mehrfacher
Hinsicht. Nicht umsonst gewannen Wissenschaftler des Fraunhofer ILT dafür
2017 den renommierten Joseph-von-Fraunhofer-Preis. Das von ihnen
entwickelte Verfahren verbessert die Vorschubgeschwindigkeit, mit der die
Oberfläche bearbeitet wird, im Vergleich zum klassischen
Laserauftragschweißen von 0,5 bis 2 Meter pro Minute auf 50 bis 500 Meter
pro Minute. Ein Bauteil lässt sich heute also 100- bis 250-mal schneller
beschichten. Auch ist es möglich, wesentlich dünnere Schichten
aufzutragen. Waren durch konventionelles Laserauftragschweißen Schichten
von mindestens 500 Mikrometer Stand der Technik, sind jetzt minimal 25
Mikrometer möglich.
Ein weiterer Vorteil liegt im geringen Wärmeeintrag. Beim klassischen
Laserauftrag-schweißen wird der pulverförmige Zusatzwerkstoff in einem
verhältnismäßig großen Schmelzbad direkt auf der Bauteiloberfläche
aufgeschmolzen, um sie zu beschichten. Das kann die Materialeigenschaften
jedoch nachhaltig verändern und kostet eine Menge Energie. Nicht so bei
EHLA. Hier werden die festen Pulverpartikel schon in der Luft vom Laser
aufgeschmolzen. Sie erreichen die Bauteiloberfläche also bereits im
flüssigen Zustand und müssen dort nicht unter hohem Energieaufwand weiter
aufgeschmolzen werden. Die Wärmeeinflusszone verkleinert sich so auf fünf
bis zehn Mikrometer, beträgt also im Vergleich zum Laserauftragschweißen
lediglich noch ein Hundertstel.
So können jetzt auch metallurgisch inkompatible, hitzeempfindliche
Werkstoffgruppen miteinander verbunden und verarbeitet werden, Aluminium
und Titan zum Beispiel. Insgesamt wird die Bauteil-Oberfläche zudem
wesentlich glatter: die Rauheit verringert sich etwa um den Faktor 10. Für
die Expertinnen und Experten am Fraunhofer ILT bietet das eine perfekte
Grundlage für weitere Entwicklungsschritte.
Neue Generation der additiven Fertigung
»EHLA eignet sich im Prinzip für alles, was rotationssymmetrisch ist und
auf einer schnellen Drehkinematik bearbeitet werden kann«, sagt Jonathan
Schaible, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ILT. »Die Frage ist
nur: Warum sollten wir uns auf einfache runde Teile beschränken, wenn eine
weitaus größere Bandbreite an Einsatzmöglichkeiten denkbar ist?«
Aus diesem Grund arbeitet ein Team von Wissenschaftlern seit 2017 daran,
eine neue Generation des Verfahrens zu entwickeln. Ihr Vorhaben: Die
innovative Technologie für den 3D-Druck zu nutzen. Arbeitstitel: EHLA 3D.
Schaibles Promotion darüber dürfte spannende Erkenntnisse zutage fördern.
»Im Zentrum steht die Frage, welche speziellen Anforderungen für
Maschinen- und Systemtechnik zu erfüllen sind, um EHLA mit dem Highspeed-
3D-Druck kombinieren zu können.«
EHLA 3D ermöglicht gleich mehrere einzigartige, verfahrenstechnische
Vorteile: hohe Aufbauraten, große Flexibilität und Materialvielfalt und
gleichzeitig eine hohe Präzision. »In naher Zukunft sollen selbst
komplexe, filigrane Strukturen im großen Maßstab einfach und kostengünstig
hergestellt werden können«, sagt Schaible. »Auch individualisierte
Bauteile sind denkbar.«
Erste Projekte gestartet
Der erste Prototyp der Anlage ist bereits erfolgreich im Einsatz. Er wurde
2019 in Zusammenarbeit mit der Ponticon GmbH aus Wiesbaden fertiggestellt.
Das Konzept dafür basiert auf dem kinematischen Prinzip des Tripoden,
einer Konstruktion mit drei Linearmotoren, die über Koppelstangen mit der
Bauplattform, auf der das zu bearbeitende Bauteil bewegt wird, verbunden
sind. »Das funktioniert ähnlich wie bei der Transrapid-Schwebebahn«,
erklärt Schaible. »Der spezielle Aufbau gleicht die Trägheitskräfte
weitgehend aus. In unserem Fall kann die Bauplattform dadurch sehr
schnelle und präzise Bewegungen ausführen, ohne dass dabei große
Schwingungen auftreten.« Inzwischen kann die Anlage so bis zu 25 Kilogramm
schwere Bauteile bearbeiten – mit bis zu fünffacher Erdbeschleunigung und
Geschwindigkeiten von bis zu 200 Metern pro Minute, bei zugleich sehr
hoher Präzision von 100 Mikrometern. Beim herkömmlichen
Laserauftragschweißen sind gerade einmal 0,5 bis 2 Meter pro Minute
üblich.
»Um die Vorteile von EHLA 3D für einen großen Anwenderkreis im
industriellen Umfeld nutzbar zu machen, werden am Fraunhofer ILT derzeit
zielgerichtete Forschungsarbeiten durchgeführt«, sagt Schaible. »Auf dem
Weg dorthin müssen wir die Komplexität beherrschbar machen.« Zentral sind
etwa Prozessüberwachungskonzepte und automatisierte Bahnplanungs-Tools, am
wichtigsten bleibt zunächst die Parametervariation im Labor. Bei der
Prozessentwicklung müssen alle Parameter exakt aufeinander abgestimmt
werden: Geschwindigkeit, Laserleistung und Pulvermenge in Abhängigkeit von
der jeweils verarbeiteten Werkstoff-Kombination. »Da gibt es noch eine
Menge experimenteller und empirischer Vorarbeit zu leisten. Die ersten
Interessenten aus der Industrie haben aber schon ihre Fühler
ausgestreckt«, ist Schaible optimistisch. »Wir sind also genau auf dem
richtigen Weg.«
Derzeit wird EHLA 3D bereits in einem Projekt des Industriekonsortiums
ICTM International Center for Turbomachinery Manufacturing unter
Beteiligung zahlreicher namhafter Unternehmen aus den Bereichen Luftfahrt
und Turbomaschinenbau weiter erforscht, ein Folgeprojekt ist für 2022
beantragt. Weitere bilaterale sowie öffentlich geförderte
Konsortialprojekte und Machbarkeitsstudien sind in Planung. Die Bandbreite
der Möglichkeiten für die Fertigung und Verarbeitung von Bauteilen wird
mit EHLA 3D um ein Vielfaches erweitert, gleichzeitig effizienter und
umweltverträglicher.
Fraunhofer ILT auf der Formnext 2021
Die Formnext findet vom 16. bis 19. November 2021 in Frankfurt am Main
statt. Besuchen Sie unsere Expertinnen und Experten am Fraunhofer-
Gemeinschaftsstand, Halle 12, Stand D41.
Vorträge zu diesem Thema
Erfahren Sie mehr auf der Onlinekonferenz ICAM 2021 – International
Conference on Additive Manufacturing (ASTM International) vom 1.-5.
November 2021 im Vortrag von Jonathan Schaible »Extreme High-Speed Laser
Material Deposition for Additive Manufacturing«. Weitere Informationen:
www.amcoe.org/icam2021
Auf dem AKL‘22 – International Laser Technology Congress, vom 4.-6. Mai
2022 in Aachen hält zudem Min-Uh Ko, Gruppenleiter Systemtechnik am
Fraunhofer ILT, einen Vortrag zum Thema »Extreme High-Speed Laser Material
Deposition for Additive Manufacturing«. Weitere Informationen:
www.lasercongress.org
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