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. Heutige Werte für die Maß- und Formgenauigkeit liegen 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 verstanden, beginnend bei der Wechselwirkung zwischen Pulverpartikeln und Laserstrahlung, der Ausbildung und Instabilitäten der Schmelzbadgeometrie und der Marangonikonvektion in der Schmelze, die Entstehung von Eigenspannungen und thermischem Verzug sowie der sich ausbildenden Mikrostruktur in Abhängigkeit der Erstarrungsbedingungen.

Gemäß derzeitigem Stand der Forschung und Technik existiert kein grundsätzliches methodisches Vorgehen, die für den Aufbau definierter Geometrieelemente und die Einstellung einer definierten Mikrostruktur erforderliche Prozessführung vorab auf die wesentlichen Prozessstrategien und -parameter so einzuschränken, dass experimentell nur noch eine Feinabstimmung erforderlich ist.

In diesem Projekt soll zunächst an ausgewählten Geometrieelementen (z.B. Stege mit variierender Stegbreite, Kanten, Ecken, Radien) , die das Spektrum an Geometrie relevanten Elementen für den endkonturnahen Aufbau bei der lokalen Wiederherstellung einer Sollgeometrie (Reparaturfall) oder dem vollständigen Aufbau einer Bauteilgeometrie nach Vorlage der CAD Daten repräsentieren, Prozessverständnis bzgl. des Einfluss-Wirkzusammenhanges auf die Maß- und Formgenauigkeit generiert werden.

Dazu wird versucht mit

  • einer Prozessdiagnostik mittels Hochgeschwindigkeitsvideographie und Pyrometrie/Thermographie und
  • einer modelltheoretischen Analyse und Prozesssimulation

die für die geometrische und mikrostrukturelle Ausbildung der Schweißraupe bzw. des generierten Volumens zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen abzuleiten und darzustellen, und inwieweit diese über die Prozessführung beeinflusst werden können. Dieses Prozesswissen soll softwaremäßig in einem Technologieprozessor abgebildet werden, mit dem Prozessführungsstrategien mit einer zeitlich und räumlich angepassten Energiedeposition für eine deutliche Steigerung von Qualität und Präzision zur Verfügung gestellt werden, die einen konturnahen Aufbau von Bauteilen gemäß CAD Datensatz ermöglichen.

Der Technologieprozessor wird eine Datenbank beinhalten, also eine vollständige Dokumentation der erzielten Ergebnisse bzgl. Spurgeometrie und Lagenhöhe als Funktion der Verfahrensparameter. Darüber hinaus werden werkstoff- und bauteilspezifische grundsätzliche Prozessstrategien hinterlegt, die nur noch eine Feinabstimmung der Verfahrensparameter erfordern. 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, wird ein Simulationstool in dem Technologieprozessor implementiert, mit dem rechnerisch vorab der Prozess analysiert werden kann. Die Untersuchungen sollen an Nickelbasis-Werkstoffen und Werkzeugstählen durchgeführt werden sowohl für den Anwendungsfall einer lokalen Reparatur, d.h. der lokalen Wiederherstellung der Bauteilgeometrie als auch dem vollständigen generativen Aufbau des Bauteils. Zum Ende der Phase 1 soll der Prozess soweit beherrscht werden, dass die Werte für die Maß- und Formgenauigkeit auf einen Bereich von 0,1 -0,15 mm reduziert werden können.

 

Charakterisierung Pulvergasstrahl

Charakterisierung  Pulvergasstrahl Urheberrecht: SFB 1120

Für das statistische Modell zur Partikelpropagation wird die Bewegung der Trajektorien geradlinig bis zur Wechselwirkungszone angenommen.

Weitere Eingangsgrößen sind die Referenzpartikeldichte und die Partikelgeschwindigkeit.

Das Modell liefert eine ortsaufgelöste Partikeldichte, eine ortsaufgelöste Transmissionsfunktion sowie die Partikeltemperatur unter Berücksichtigung der Selbstabschattung.

Beim generativen Laserauftragschweißen mit pulverförmigem Zusatzwerkstoff spielen die Maß- und Formgenauigkeit sowie das resultierende Gefüge im Hinblick auf die Qualität des bearbeiteten Bauteils eine entscheidende Rolle.

Einer der Einflussfaktoren ist dabei der Pulvergasstrahl, der daher im Rahmen des SFB 1120 detailliert analysiert wird.

Die Pulvergasströmung wird ebenenweise mit bis zu 12000 Bildern / s vermessen.
Mittels Nurbs- Interpolation wird eine glatte (Referenz-)Partikeldichte ermittelt, die für die Simulation genutzt wird

  Charakterisierung  Pulvergasstrahl Urheberrecht: SFB 1120