Anlage für das Laser Pulverauftragsschweißen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Anlage für das Laserpulverauftragschweißen wurde vom Lehrstuhl für Photonische Technologien (LPT) der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) für die Erarbeitung von grundlagen-wissenschaftlichen Erkenntnissen in einer Reihe öffentlich geförderter Projekte eingesetzt. Im Rahmen dieser Forschungsprojekte lag der wissenschaftliche Schwerpunkt auf der Additiven Fertigung (3-D Druck) von dreidimensionalen Strukturen / Bauteilen auf Basis von metallischen Legierungen, die nach aktuellem Stand der Technik und Forschung nicht bzw. lediglich eingeschränkt verarbeitet werden können. Des Weiteren war die Erzeugung von Verbundwerkstoffen durch Kombination unterschiedlicher Werkstoffklassen (z.B. Kunststoff und Metall), sowie die Herstellung von metallischen Multimaterialstrukturen und gradierten Strukturen durch In situ-Legierungsbildung auf Basis elementarer Metallpulver Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen im Rahmen der durchgeführten Forschungsprojekte. Die wichtigsten Forschungsprojekte im Rahmen derer die Anlage für das Laserpulverauftragschweißen verwendet wurde, sind Teilprojekt 1 „Maßgeschneiderte Massivumformwerkzeuge durch Einsatz des Laserpulverauftragschweißens“ des Forschungsverbundes „ForNextGen – Next Generation Tool“ gefördert von der Bayerischen Forschungsstiftung (Bfs), das AiF-Zim geförderten Projekte „GenNiTiF – Additive Verarbeitung von Nitinol“, sowie das AiF-IGF-Projekt „CLAD- MID – Charakterisierung des Laser-Pulverauftragschweißens für die schnelle, flexible und direkte Erzeugung leitfähiger Strukturen auf dreidimensionalen Kunststoffsubstraten“. Im Forschungsprojekt CLADMID wurde untersucht, inwiefern sich, das Laserpulverauftragsschweißen für die direkte Erzeugung leitfähiger Strukturen aus unterschiedlichen metallischen Pulverwerkstoffen (Cu, Al, SnCu3, usw.) auf spritzgegossenen thermoplastischen Kunststoffschaltungsträgern eignet. Wissenschaftliche Zielsetzung dieses Projekts war es den Prozess des Laserpulverauftragsschweißen dahingehend weiterzuentwickeln metallische Strukturen (im einfachsten Fall eindimensionale Leiterbahnen) hoher Haftfestigkeit, hoher elektrischer Leitfähigkeit, hoher Stromtragfähigkeit und praxis-relevanten Langzeiteigenschaften in einem einzigen Prozessschritt auf dreidimensionale Schaltungsträger abzuscheiden ohne die Kunststoffsubstrate infolge der thermischen Wechselwirkung mit dem Laserstrahl zu zerstören. In diesem Zusammenhang konnte unteranderem die direkte Erzeugung von Leiterbahnen aus reinem Kupferpulver (chem. Reinheit > 99,8 %) auf unterschiedlichen Polyamid-Substraten mittels Laserpulverauftragschweißen nachgewiesen werden. Die abgeschiedenen Metallisierungen besitzen abhängig von den verwendeten Prozessparametern und der Prozessführung spezifische Leitfähigkeiten zwischen 25 m/Ωmm² und 50 m/Ωmm² und sind im besten Fall nur geringfügig kleiner als für den Kupferfestkörper (σCu = 58 m/Ωmm² ± 10%). Auch die Eignung der mittels Laserpulverauftragschweißen aufgetragenen Leiterbahnen für die Übertragung großer Lastströme mit Stromstärken von bis zu 25 A konnte im Projekt erfolgreich nachgewiesen werden. Das von ZIM-AiF-geförderten Projekt GeniTiF widmete sich der generativen Verarbeitung der Nickel-Titan Formgedächtnislegierung Nitinol für den Aufbau von Formgedächtnisaktuatoren mittels Laserstrahlschmelzen von Metallen aus dem Pulverbett und dem Laserpulverauftragschweißen. Hierbei wurde sowohl die Verarbeitbarkeit von vorlegierten Nitinol Pulver als auch die in-situ Legierungsbildung aus elementaren Nickel und Titan Pulver untersucht. Es ist prinzipiell möglich, defektfreie (relative Dichte ≥ 99,5%) und funktionsfähige Formgedächtnisaktuatoren mittels Laserpulverauftragschweißen aus vorlegiertem Nitinol-Pulver als auch durch in-situ Legierungsbildung aus den elementaren Pulverwerkstoffen herzustellen. Gegenwärtig wird das Degenerationsverhalten der additiv hergestellten Aktuatoren – d.h. die Ausprägung des Formgedächtniseffekts in Abhängigkeit von der Zyklenzahl – charakterisiert und und analysiert. Im Rahmen von Teilprojekt 1 des bayerischen Forschungsverbundes ForNextGen wurde auf der Anlage die Verarbeitbarkeit hoch-kohlenstoffhaltiger und aufgrund ihrer Rissanfälligkeit als schwer-schweißbar definierter Warm- und Kaltarbeitsstähle (z.B. 1.2709, 1.2343, 12358, 1.3343 oder 1.2379) für den endkonturnahen, generativen Aufbau von Massivumformwerkzeugen untersucht. In diesem Zusammenhang konnte am Beispiel des Kaltarbeitsstahls 1.2358 und Warmarbeitsstahls 1.2343 nachgewiesen werden, dass es prinzipiell möglich ist Volumenbauteile mit einer hohen relativen Dichte (ρrel ≥ 99,9 %) und praxisrelevanten mechanischen Eigenschaften aus hoch-kohlenstoffhaltigen Werkzeugstählen mittels LPAS herzustellen. Hierbei besitzen die generativ gefertigten Bauteile nach geeigneter Wärmenachbehandlung mechanische Kennwerte, die mit denen konventionell gefertigter und wärmenachbehandelter Bauteile vergleichbar sind. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurden Demonstratorwerkzeuge aufgebaut und nach thermischer und mechanischer Endbearbeitung bei dem im Projekt involvierten Industriepartnern Schaeffler und Hirschvogel getestet und hinsichtlich ihres Einsatzverhaltens und Ermüdungserscheinungen charakterisiert. Hierbei zeigten die getesteten Werkzeuge ein vielversprechendes Einsatzverhalten und die erreichten Standzeiten waren in guter Näherung mit der von konventionell (zerspanend) hergestellten Werkzeugen vergleichbar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Qualification of laser based additive production for manufacturing of forging Tools. MATEC Web of Conferences 21 , 08010 (2015)
Junker D., Hentschel O., Schmidt M., Merklein M.
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Comparison of process characteristics and resulting microstructures of maraging steel 1.2709, in Additive Manufacturing via Laser Metal Deposition and Laser Beam Melting in Powder Bed, Proceedings of 6th International Conference on Additive Technologies (ICAT 2016)
Karg M., Hentschel O., Ahuja B., Hassler U., Junker D., Schäperkötter C., Haimerl A., Arnet H., Merklein M., Schmidt M.
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Connection strength of additive manufactured tool elements to the substrate Key Engineering Materials Volume 716, 2016
Junker D., Fedorov A., Hentschel O., Schmidt M., Merklein M.
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Copper circuit traces by laser cladding with powder injection for additive manufactured mechatronic devices. Electronics Packaging Technology Conference EPTC 2016
Mueller M.; Hentschel O.; Schmidt M.; Franke J.
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Experimental investigation of direct diamond laser cladding in combination with high speed camera based process monitoring. Journal of Laser Applications 28, 022304 (2016)
Scheitler C, Hugger F, Hofmann K, Hentschel O, Bätzler T, Roth S, Schmidt M
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In-situ monitoring and defect detection for laser metal deposition by using infrared thermography. International Conference on Photonic Technologies Proceedings of the LANE 2016
Hassler U., Gruber D., Hentschel O., Sukowski F., Grulich T., Seifert L.
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Experimental investigations of processing the high carbon cold-work tool steel 1.2358 by laser metal deposition for the additive manufacturing of cold forging tools. Journal of Laser Applications 29, 022307 (2017)
Hentschel O., Scheitler C., Fedorov A., Junker D., Gorunov A., Haimerl A., Merklein M., and Schmidt M
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Laser metal deposition of NiTi shape memory alloy on Ti sheet metal: Influence of preheating on dissimilar build-up. Journal of Laser Applications 29, 022309 (2017)
Scheitler C, Hentschel O, Krebs T, Konstantin Yu, Nagulin K and Schmidt M
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Performance of Hot Forging Tools Built by Laser Metal Deposition of Hot Work Tool Steel X37CrMoV5-1 In: Laser in Manufacturing Conference 2017
Junker, D.; Hentschel, O.; Schramme, R.; Schmidt, M.; Merklein, M.
