Robotergestütztes 3D-Laserbearbeitungszentrum
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Neben dem Laserstrahlschweißen und -schneiden konzentrierte sich die Anwendung des Laserbearbeitungszentrums auf das Laser-Pulver-Auftragschweißen. 1. Nachwuchsforschergruppe: Generative Herstellung von Gradienten-Leichtbauwerkstoffen Die Untersuchungen zum Laserstrahlauftragschweißen mit Pulver bildeten die Grundlage für das Projekt und somit auch den Schwerpunkt der Untersuchungen. Die Pulver wurden mit dem Rasterelektronenmikroskop auf ihre Morphologie und Kornfraktion untersucht, um die Pulverpartikelform zu bestimmen. Kugelige Pulver-Partikelformen, wie sie z.B. Al-12Si und ZrO2-8Y2O3 aufwiesen, führten zu einer konstanten, homogenen und regelmäßigen Auftragsleistung. Die Partikelgrößen der Zusatzwerkstoffe im Bereich von 45 bis 90 µm, begünstigen einen optimalen Transport im Pulvertransportsystem des Laserbearbeitungszentrums. Gradientenschichten wurden aus den Zusatzwerkstoffen Al-12Si und ZrO2-8Y2O3 mittels Laser-Pulver- Auftragschweißen hergestellt. In diesen Versuchen wurden eine Pulvermischung aus 60 Gew.% Al-12Si und 40 Gew.% ZrO2-8Y2O3 und anschließend eine mit 40 Gew.% Al-12Si und 60 Gew.% ZrO2-8Y2O3 verwendet. Beide Pulvermischungen wurden 24 Stunden in einem Überkopfschüttler hergestellt. Bei konstantem Fokusabstand und gleichbleibender Schweißgeschwindigkeit (+20 mm und 500 mm/min) wurde die Laserleistung im Bereich 1700 – 2300 W variiert. Die optisch besten Ergebnisse wurden mit einer Leistung von 2100 und 2200 W erzielt. Es zeigte sich, dass sich am Übergang von der ersten zur zweiten Lage großvolumige Oxidansammlungen bilden. Das gebildete Al2O3 stammte aus zwei Quellen. Zum einen aus der Oxidation des aufgeschmolzenen Aluminiums des Substratwerkstoffes und zum anderen aus der Reaktion des ZrO2 mit der aufgeschmolzenen Al-Legierung. Innerhalb der 2. Lage, aufgetragen mit der vorgemischten Pulvermischung aus 40 Gew. % Al-12Si und 60 Gew. % ZrO2-8Y2O3, kommt es während der Erstarrung zu einer Entmischung, in dessen Folge zwei Zonen unterschiedlicher Materialzusammensetzung entstehen. Die erzeugten Gradientenwerkstoffe bestehen aus drei auftragsgeschweißten Schichten, wobei mit zunehmender Schicht der Keramikanteil ansteigt. Die Härtemessungen zeigen, dass die Gradientenschichten eine hohe Härte im Vergleich zum Grundwerkstoff aufweisen. Die Deckschicht, in der Keramik ZrO2 dominiert, bietet eine durchschnittliche Härte von 1700 HV und ein großes Potenzial zur Anwendung als Verschleißschutzschicht. 2. Herstellung von einbaufertigen, keramischen Heizelementen im kombinierten Heissgiessverfahren und einer neuartigen Kontaktierung des Heizleiters mittels Laserstrahl Das Forschungsvorhaben sieht seinen Beitrag in der Entwicklung von energieeffizienten, einbaufertigen, keramischen Heizelementen, die mittels kombinierten Heißgießverfahren und einer laserstrahlgefügten neuartigen Kontaktierung hergestellt werden. Kontaktierungsversuche auf LaCrO3 wurden mit dem Ziel durchgeführt, die Verbindung zwischen dem elektrischen Leiter und dem LaCrO 3 mittels Laserpulverauftragschweißen herzustellen. Es erfolgten Versuchsreihen zur Schweißeignung mit dem Pulverauftragschweißen. Danach wurden Versuche mit verschiedenen drahtförmigen Zusatzwerkstoffen als Kontaktierungsmetarial durchgeführt. Um ein geeignetes Prozessfenster zu ermitteln, wurde die Laserleistung zunächst von 100 W bis 500 W die Schweißgeschwindigkeit von 400 mm/min bis 8000 mm/min variiert. Die Versuche zeigten, dass die zu verwendende Keramik den Laserstrahl bei den gewählten Prozessparametern zu stark absorbiert und der Werkstoff zu schnell erwärmt wird. Dies äußert sich mit Rissen im Werkstoff oder durch Verdampfen der Keramik. Ziel war es deshalb zunächst den Prozess unter Berücksichtigung der gegebenen Randbedingungen anzupassen. Die notwendige Vorwärmung der Keramik war Mittelpunkt der Untersuchungen, um einen Arbeitsbereich zu finden und Prozessparameter zu definieren, indem die Keramik unter Berücksichtigung des Thermoschockverhaltens schonend erwärmt und lokal aufgeschmolzen werden kann, ohne dass es zu Schädigung oder Verdampfen des Werkstoffs kommt. Zusätzliche Versuche mit der zweiten Strahlquelle, dem in das Laserbearbeitungszentrum integrierten Scheibenlaser (2 kW) wurden mit dem Ziel einer langsameren Vorwärmung bei geringerem Fokusabstand, der Reduzierung des Abbrands der Keramik im Phasenübergang Fest-Flüssig sowie einer stärkeren Einkopplung in den Zusatzwerkstoff bei geringeren Wellenlängen durchgeführt. Anschmelzungen und Werkstoffabbrand waren gleichfalls erkennbar, jedoch lag die Schwelle bei ca. 300 Watt. Die Wärmeeinbringung ist genauer steuerbar. Aufgrund des günstigeren Werkstoffverhaltens sind weitere Schweißversuche mit dem Scheibenlaser und festem Zusatzwerkstoff aus Kupfer mit veränderter Versuchsmethodik durchgeführt worden. Die Kontaktierung verzeichnet eine gute Infiltration des Kupfers in die Keramik sowie eine sehr gute Benetzung auch bei großen Kupfermengen mit einem fest haftenden Kupferauftrag. Im Ergebnis wurde ein fest haftender Werkstoffauftrag mit unterschiedlichen Zusatzwerkstoffen realisiert. Weitere Versuche mit verbessertem Schutz der Keramik und des Zusatzwerkstoffes vor Oxidation werden durchgeführt. Danach erfolgt die Auswahl eines geeigneten Kontaktierungsverfahrens und weitere Test mit den Projektpartnern. Das Laserbearbeitungszentrum erlaubt mit der Konfiguration Versuche mit zwei verschiedenen Stahlquellen und unterschiedlichen Wellenlängen und bietet die für das Projekt eine wichtige Möglichkeit des Auftrags mit verschiedenen Pulvern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Laserstrahl-Auftragschweißen mit pulverförmigen keramischen und metallischen Zusatzwerkstoffen zur Herstellung von Gradientenwerkstoffen. DVS Berichte Band 315, S. 842 - 845. ISBN 978-3-945023-46-4
Zhang, W., Schramm, M., Kaneneks, M., Michailov, V., Fleischhauer, M.
