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Kombinationsmaschine zum Laserauftragsschweißen von Pulver in einer 5-Achs-Fräsmaschine

Subject Area Production Technology
Term Funded in 2015
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 279885319
 
Final Report Year 2019

Final Report Abstract

Im Rahmen des Forschungsvorhabens erfolgte die Integration einer Werkstückaufnahme in das Großgerät zur Aufnahme von Blechhalbzeugen. Mit dieser Blechhalterung kann die Maschine zur inkrementellen Blechumformung genutzt werden. Vormals war eine Bauteilerzeugung mittels Laserpulverauftragsschweißen sowie einer Fräsbearbeitung möglich. Daraus resultiert eine Maschine mit mehreren integrierten Fertigungsverfahren, welche die Bearbeitung eines Bauteils in einer Aufspannung ermöglicht. Diese erstmalige Kombination aus drei Fertigungsverfahren (Umformende, Additiver und Subtraktiver Fertigung) in einer Maschine ermöglicht es die Vorteile der einzelnen Verfahren unmittelbar zu vereinen. Diese Verfahrenskombination wurde durch das Institut für Umformtechnik und Leichtbau patentiert. Durch Vorversuche zwischen Laserpulverauftragsschweißen (Laser Metall Deposition) und inkrementeller Blechumformung konnte aufgezeigt werden, dass das Applizieren von additiven Nebenformelementen auf einem dünnen Substrat zu negativen Bauteileigenschaften, wie zum Beispiel einem Durchbrand des Blechbauteils führt. Der Grund hierfür ist, dass die vom Maschinenhersteller vorgegebenen LMD- Prozessparameter nicht für dünne Substrate übernommen werden können. Daher erfolgte eine Anpassung der Pulvermenge und der Laserleistung. Zudem wurde zwischen den einzelnen additiven Schichten eine Abkühlphase implementiert. Durch diese Maßnahmen konnten zylindrische und quadratische Bauteile mittels additiver Fertigung auf inkrementell umgeformten Blechpyramiden appliziert werden. Anhand dieser Hybridbauteile aus inkrementeller Blechumformung und Laserpulverauftragsschweißen konnten die Wechselwirkungen zwischen beiden Prozessen aufgezeigt werden. Hier ist unter anderem der Einfluss der Blechdicke anzuführen, welche die Anbindung zum additiven Nebenformelement beeinflusst. Im Forschungsvorhaben erfolgte der Einsatz des Großgerätes zur Herstellung von verbesserten Nutgeometrien für den ebenen Torsionsversuch. Dadurch können höhere Umformgrade für die Materialcharakterisierung erreicht werden. Auch bei hochfesten Werkstoffen kann eine Plastifizierung hervorgerufen werden, ohne dass hierfür eine starke Dimensionierung der Versuchseinrichtung erforderlich ist. Darüber hinaus wurde die Großmaschine zur Herstellung eines innengekühlten Stempels für den ebenen Torsionsversuch verwendet. Durch die Innenkühlung wird die thermische Belastung der Versuchseinrichtung bei ebenen Torsionsversuchen unter Wärmeeinfluss deutlich reduziert, sodass die angekoppelte Messsensorik geschützt wird. Im Rahmen einer Dissertation konnte die Möglichkeit aufgezeigt werden, dass durch das nachträgliche Glattwalzen von Bauteilen, die durch das LMD-Verfahren hergestellt wurden, eine gezielte Beeinflussung der Oberflächeneigenschaften erreicht werden kann. Durch das Glattwalzen wird unter anderem die Oberflächenrauigkeit reduziert, sodass sich am Beispiel eines additiv hergestellten Tiefziehwerkzeugs eine verringerte Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück beim Tiefziehen einstellt. Diese Vorversuche wurden in das neu bewilligte Forschungsvorhaben „Funktionalisierung additiv gefertigter Presshärtewerkzeuge mittels Glattwalzen“ eingebracht. Für die Fertigung von hybriden Umformwerkzeugen mittels LMD konnte gezeigt werden, dass die Aufbaureihenfolge der Werkstoffe einen signifikanten Einfluss auf die anschließenden Werkstoffeigenschaften hat. Wird das Werkzeug in Funktionsbereiche (Grundkörper, Kontaktzone etc.) segmentiert, können diese Bereich mit unterschiedlichen Werkstoffen additiv erzeugt werden. Während des additiven Prozesses tritt eine In-situ-Wärmebehandlung auf, welche die Eigenschaften von vormals aufgetragenen Werkstoffbereichen verändert. Damit zum Beispiel innerhalb eines hybriden Werkzeugaufbaus eine geforderte Härte für einen definierten Funktionsbereich erfüllt wird, müssen diese Bereiche vorrangig zuletzt additiv gefertigt werden. Bei einem umgekehrten additiven Aufbau werden die vormals hochfesten Bereiche temperiert, sodass ein Härteabfall eintritt.

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