Maß- und Formgenauigkeit beim generativen Laserstrahl-Auftragschweißen

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Beim generativen Laserauftragschweißen mit pulverförmigen Zusatzwerkstoffen spielen die Maß- und Formgenauigkeit sowie das resultierende Gefüge eine entscheidende Rolle im Hinblick auf die Qualität und die Eigenschaften des hergestellten oder reparierten Bauteils. Die Ausbildung der schmelzflüssigen Phase einschließlich der Bewegung der Dreiphasenlinie entlang der Erstarrungsfront bestimmen die geometrische Ausformung der Schweißraupengeometrie und bei Überlappbearbeitung bzw. Mehrlagenschweißungen die resultierende Geometrie nach jeder weiteren Lage. Für eine industrietaugliche Prozesstechnologie im Bereich der generativen Verfahren von Metallen gilt die Forderung an das Laserauftragschweißen, ein Bauteil nach CAD Daten innerhalb einer Maß- und Formgenauigkeit von einigen Zehntel Millimetern Aufmaß aufzubauen und ein Untermaß zu vermeiden. Werte für die Maß- und Formgenauigkeit vor Beginn des SFBs lagen bei > 0,3 mm. Die für den Aufbau spezieller Geometrie-Features (Ecken, Kanten, Überhänge) notwendige Prozessführung ist komplex und in vielen Punkten bisher noch nicht vollständig verstanden. So fehlte zum Beispiel zu Beginn des SFBs das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Pulverpartikeln und Laserstrahlung, der Ausbildung und Instabilitäten der Schmelzbadgeometrie und der Marangonikonvektion in der Schmelze. Außerdem war die Entstehung von Eigenspannungen und thermischem Verzug sowie der sich ausbildenden Mikrostruktur in Abhängigkeit der Erstarrungsbedingungen unklar.

Ziel war daher, ein grundsätzliches methodisches Vorgehen für den Aufbau definierter Geometrieelemente und die Einstellung einer definierten Mikrostruktur zu entwickeln und die erforderliche Prozessführung vorab hinsichtlich der wesentlichen Prozessstrategien und -parameter zu entwickeln, dass experimentell nur noch eine Feinabstimmung erforderlich ist. Daher wurden in Phasen 1 und 2 an ausgewählten Geometrieelementen (z.B. Stege mit variierender Stegbreite, Kanten, Ecken, Radien), die das Spektrum an geometrierelevanten Elementen für den endkonturnahen Aufbau repräsentieren, die Einfluss-Wirkzusammenhänge zwischen Prozessführung und Maß- und Formgenauigkeit untersucht. Unter anderem wurden dazu Prozessdiagnostik mittels Hochgeschwindigkeitsvideographie und Thermographie und die modelltheoretischen Analyse und Prozesssimulation eingesetzt.

So konnte die geometrische und mikrostrukturelle Ausbildung der Schweißraupe bzw. des generierten Volumens abgeleitet werden und die Zusammenhänge mit der Prozessführung ermittelt werden. Dieses Prozesswissen wurde systematisch gesammelt, um in der dritten Phase als Basis für eine verbesserte Bahnplanung hinsichtlich Form- und Maßgenauigkeit zu dienen. So enthält die Datenbank eine vollständige Dokumentation der erzielten Ergebnisse bzgl. Spurgeometrie und Lagenhöhe als Funktion der Verfahrensparameter. Außerdem sind Sonderfälle wie z.B. Einzelspuren mit variierender Breite, aber gleichbleibender Höhe, enthalten. Diese können genutzt werden, um bspw. spitz zulaufende Geometrien ohne Treppenstufeneffekt zu fertigen. Für Werkstoffe, die noch nicht in der Datenbank erfasst sind bzw. Laserstrahlleistungsdichten oder Pulverpartikeldichten, die erhebliche Abweichungen von den in der Datenbank hinterlegten bzw. empfohlenen Verfahrensparametern aufweisen, wurde ein Simulationstool entwickelt, mit dem rechnerisch vorab der Prozess analysiert werden kann. Die Untersuchungen decken sowohl den Anwendungsfall einer Reparatur auf bereits bestehendem Material als auch den vollständigen Aufbau eines gesamten Bauteils ab.

Durch die Untersuchung und Quantifizierung der Abhängigkeiten von Spurhöhe und -breite von den Prozessparametern können nun Spuren mit stufenlos variierender Breite und gleichbleibender Höhe gefertigt werden. Durch diese Möglichkeit werden weitere Freiheitsgrade in der Bahnplanung eröffnet, die insbesondere bei variierenden Querschnittsbreiten und spitz zulaufenden Bauteilen Anwendung finden.

 
  Konturplot für a) Spurbreite und b) Spurhöhe in Abhängigkeit von Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit, c) Schweißspur mit variabler Breite und konstanter Höhe Urheberrecht: © SFB 1120 Abbildung 1: Konturplot für a) Spurbreite und b) Spurhöhe in Abhängigkeit von Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit, c) Schweißspur mit variabler Breite und konstanter Höhe
 
 

Bei der Fertigung von dünnwandigen Strukturen mittels Laserauftragschweißen wurde der Prozesseinfluss auf Geometrie und Eigenspannungen untersucht. So können Eigenspannungen bspw. durch größere Laserleistungen reduziert werden, wodurch aber stärker variierende Wandstärken auftreten und somit die Geometriegenauigkeit verschlechtert wird.

 
  links: Eigenspannungen in Abhängigkeit der Laserleistung, rechts: Variation der Spurbreite in Abhängigkeit von Laserleistung und Pulvermassestrom Urheberrecht: © SFB 1120 Abbildung 2: links: Eigenspannungen in Abhängigkeit der Laserleistung, rechts: Variation der Spurbreite in Abhängigkeit von Laserleistung und Pulvermassestrom
 
 

Die Auswirkungen des Schweißmuster, also der Reihenfolge und Anordnung der Schweißspuren, auf den resultierenden Verzug bei einer einlagigen Schweißung auf dünnem (2 mm Stärke) Substrat wurden mittels in situ digitalem Bildabgleich (Digital Image Correlation: DIC) untersucht. Die stark unterschiedlichen Verzüge müssen bei verzugsanfälligen oder spannungskritischen Bauteilen bei der Bahnplanung berücksichtigt werden.

 
  Absoluter Verzug entlang Messlinien in x- und y-Richtung bei einlagigen Schweißungen a) spiralförmig nach innen, b) spiralförmig nach außen, c) mäanderförmig Urheberrecht: © SFB 1120 Abbildung 3: Absoluter Verzug entlang Messlinien in x- und y-Richtung bei einlagigen Schweißungen a) spiralförmig nach innen, b) spiralförmig nach außen, c) mäanderförmig
 
 

Bei der Schweißung auf Freiformoberflächen müssen die Effekte durch geneigte Oberflächen (variierende Spurhöhe und-breite je nach Neigung und Schweißrichtung) bei der Bahnplanung berücksichtigt werden. Dazu müssen die entstehenden Oberflächengeometrien nach n Lagen bekannt sein/vorhergesagt werden. Bei den bislang gängigen Methoden zur Oberflächenvorhersage wird von einer Translation der Oberfläche in z-Richtung (Aufbaurichtung) bzw. in Richtung der Oberflächennormaleausgegangen (z- bzw. n-Offset-Methode). Bei geneigten Flächen wird die reale Schichtdicke überschätzt (z-Offset-Methode) bzw. unterschätzt (n-Offset-Methode). Durch die Kombination der zwei Methoden kann die Oberflächengeometrie wesentlich genau vorhergesagt werden und die Abweichungen von der realen Geometrie um 70-80% gesenkt werden.

 
  IST- und SOLL-Profile nach acht Lagen bei Bahnplanung basierend auf a) z-Offset-Methode, b) n-Offset-Methode, c) Durchschnittsmethode Urheberrecht: © SFB 1120 Abbildung 4: IST- und SOLL-Profile nach acht Lagen bei Bahnplanung basierend auf a) z-Offset-Methode, b) n-Offset-Methode, c) Durchschnittsmethode
 
 

Das in Phase 1 entwickelte Schmelzbadmodell wurde anhand einer breiten Parameterstudie (Schweißen auf schrägen Flächen und Variation der Prozessparameter) validiert. Als Eingangsgröße für das freie Randwertproblem beim Laserauftragschweißen wird die gemessene drei dimensionale Partikelverteilung (vom Düsenausgang bis zur Bearbeitungsebene) sowie die Strahlkaustik verwendet.

 
  Simulierter Temperaturverlauf (links)  und mikroskopische Aufnahme der Schmelzbadkontur (rechts). Hohe Übereinstimmung zwischen Modellierung und Realität. Abweichung < 10% für Schmelzbadbreite und -tiefe. Urheberrecht: © SFB 1120 Abbildung 5 Simulierter Temperaturverlauf (links) und mikroskopische Aufnahme der Schmelzbadkontur (rechts). Hohe Übereinstimmung zwischen Modellierung und Realität. Abweichung < 10% für Schmelzbadbreite und -tiefe.
 
 

Durch ein einfaches statistisches Wechselwirkungsmodel werden die Partikeltemperaturen, die einzelnen Trajektorien und die resultierenden Abschattung der Laserstrahlung (durch die Partikel) berechnet. Diese Größen dienen als zusätzliche Randbedingungen für das Schmelzbadmodell. In diesem Modell wird unter Konservierung des Massenstroms die freie Schmelzbadoberfläche sowie die transiente Temperaturverteilung berechnet. Ersters ist relevant um Spurgeometrien vorhersagen zu können (Einfluss in der Bahnplanung) und zweiteres dient der Bestimmungen der Erstarrungsbedingen auf der Phasenfront. Die Erstarrungsbedingungen lassen sich im Allgemeinen nicht experimentell erfassen.

 
  Berechnung der Erstarrungsbedingungen beim LA. Urheberrecht: © SFB 1120 Abbildung 6 Berechnung der Erstarrungsbedingungen beim LA.
 
 

Aus der Erstarrungsbedingungen kann eine nichtgleichgewichts Phasenfeldsimulation durchgefüht werden um die Mikrostruktureigenschaften vorab grob zu bestimmen. Akptuel bestehen noch kleinere Diskrepanzen was die Vorhersage der Dendritenarmabstände (Maß für die Feinheit der Mikrostruktur) angeht. Die auftretenden Phasen werden jedoch korrekt vorhergesagt.

 
  Phasenfeldsimulation: Modellierung der Erstarrungsvorgänge auf µm-Skala. Die Feinheit des Gefüges wird über den Primären Dendritenarmabstand (PDAS) gemessen und skaliert mit den makroskopischen, mechanischen Eigenschaften des Materials. Urheberrecht: © SFB 1120 Abbildung 7 Phasenfeldsimulation: Modellierung der Erstarrungsvorgänge auf µm-Skala. Die Feinheit des Gefüges wird über den Primären Dendritenarmabstand (PDAS) gemessen und skaliert mit den makroskopischen, mechanischen Eigenschaften des Materials.
 
 

Die häufig in der Additiven Fertigung verwendete Nickelbasissuperlegierung Inconel 718 benötigt eine festigkeitssteigernde Wärmenachbehandlung. Diese muss auf das Ausganggefüge eingestellt werden, ist aber zurzeit für Guss- oder Schmiedegefüge optimiert. Ziel der Wärmebehandlung ist zum Einen das Homogenisieren der Matrix und Auslösen von Sprödphasen wie der Lavesphase und zum Anderen die gezielte Ausscheidung von festigkeitssteigernder γ‘‘-Phase. Der Vergleich von nicht-lösungsgeglühten Proben (Direct Aging, DA) mit lösungsgeglühten Proben zeigt eine kleinere Härte bei den DA-Proben. Dies ist durch vorhandene Laves-Phasen-Ausscheidungen sowie einen kleineren Volumenanteil von γ‘‘-Phase zu erklären.

 
  a) zeitlicher Härteverlauf von Proben mit Lösungsglühbehandlung (1h bei 980 °C) nach Auslagern bei 760 °C bzw. 720 °C und Proben ohne Lösungsglühbehandlung (Direct Aging, DA) nach Auslagern bei 720 °C, b) REM-Aufnahme einer Probe nach einstü Urheberrecht: © SFB 1120
 
 

Abbildung 8: a) zeitlicher Härteverlauf von Proben mit Lösungsglühbehandlung (1h bei 980 °C) nach Auslagern bei 760 °C bzw. 720 °C und Proben ohne Lösungsglühbehandlung (Direct Aging, DA) nach Auslagern bei 720 °C, b) REM-Aufnahme einer Probe nach einstündigem Ausl agern bei 720 °C, c) REM-Aufnahme einer Probe einstündigem Lösungsglühen bei 980 °C und einstündigem Ausl agern bei 720 °C

 
 

Ansätze für Phase 3

  • Bahnplanung: Konventionell und Machine Learning gestütz. In Phase 2 wurden die grundlegenden Einflusswirk-Zusammenhänge zwischen Spurgeometrie und der Prozessparameter unter Berücksichtigung der Laserstrahlkaustik und der Form des Pulvergasstrahls erfasst. In der dritten Phasen soll dieses Wissen und die erstellten Modell dafür verwendet werden, die Bahnplanung für komplexe Bauteile (dünnwandige Strukturen, Reparaturanwendungen auf Freiformoberflächen) zu optimieren. Dazu werden im ersten Schritt die gesammelten Erkenntnisse statistisch ausgewertet und diese in ein klassisches Bahnplanungstool (deterministisch: nach „einfachen“ Regeln, wie z.B. LMDCAM2 des Fraunhofer ILT) eingepflegt bzw. mit einem verwendet. Parallel dazu werden moderne Machine-Learning basierte Ansätze verwendete um das gleiche Problem (sprich: optimierte Bahnplanung mit geometrieangepassten Prozessparametern) zu lösen. Die Bahnplanung soll anhand von komplexen Geometrien getestet, verbessert und demonstriert werden.

  • Zeitlich und örtlich modulierte Laserstrahlung. Ein weiteres Ziel ist, die bisher (üblicherweise) als konstant eingestellten Parameter zu variieren. Dazu gehört erstens die zeitliche Modulation der Laserleistung und die ortsangepasste Intensitätsverteilung. Das Schmelzbadmodell aus Phase 1, 2 muss für die zeitlich modulierte Leistung validiert und ggf. angepasst werden. Die optimale Intensitätsverteilung für den Laserauftragschweißprozess (aktuell werden meist Gauß-artige Strahlprofile verwendet) wird durch das Lösen des inversen Wärmeleitproblems bestimmt. Dies ermöglicht eine größere Variantenvielfalt was die Erstarrungsbedingungen und die Geometrie der Schmelzspuren angeht.