Forschen heisst, die Zukunft gestalten!

Hybrid-additive Fertigung von Großbauteilen mit Laserauftragschweißen (LMD)

Vier Jahre, drei Roboter, acht Partner

Es ist immer wieder erstaunlich, was unterschiedliche Partner erreichen, wenn alle konsequent mit einem Ziel arbeiten: So entstehen im BMBF-Forschungsprojekt ProLMD in Teamarbeit neue Hybrid-Prozesse, die konventionelle Fertigungsverfahren und das Laserauftragschweißen (LMD) zu einem neuen Fertigungsansatz vereinen.

Den Beginn markiert 2016 eine Forschungsidee. Es geht um die Entwicklung wirtschaftlicher und robuster Systemtechnik für das LMD-Verfahren, basierend auf einem Knickarm-Roboter, sowie ihre Integration in eine Prozesskette für hybride Fertigung, blickt Jan Bremer, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT aus Aachen, zurück. Dabei bewegen wir uns entlang der Prozesskette für die roboterbasierte hybrid-additive Fertigung und erforschen verschiedene dafür notwendige Technologien. Das Spektrum der Inhalte deckt dabei alles von Bearbeitungsköpfen, Roboter- und Schutzgassystemen über die Schweißprozesse bis zur Qualitätssicherung und Software ab.

Was „hybrid“ konkret in der Praxis heißt, zeigen drei Anwendungen der Systempartner MTU Aero Engines (Aufbau von Funktionselementen an einer Triebwerkskomponente), Airbus (Bauteilverstärkung durch 3D-Verrippung) und Mercedes-Benz (Anpassung eines Presswerkzeuges in der Karosseriefertigung). Im Mittelpunkt steht die lokale Verstärkung oder Veränderung konventionell gefertigter Bauteile. Im Projekt liegt der Fokus dabei auf der Fertigung. Die entwickelten Technologien erlauben jedoch auch Reparaturanwendungen.

Diese Beispiele zeigen, was wir unter hybrider Fertigung verstehen, sagt Wissenschaftler Bremer. Es ist die flexible Verbindung der Vorteile aus verschiedenen Fertigungsverfahren, da es beliebige konventionelle Herstellverfahren mit LMD zu einer durchgängigen Prozesskette vereint. Die Flexibilität zeigt sich auch im Projekt bei den Industriepartnern, die ihre Demonstratoren vor der LMD-Funktionalisierung durch Rollformen (Airbus), Gießen (Mercedes-Benz) oder Schmieden (MTU) herstellen.
Für den Wissenschaftler ist es außerdem ein schönes Beispiel, wie sich komplexe Variantenvielfalt in der Herstellung vereinfachen lässt. Man fängt zum Beispiel mit dem Stanzen und Besäumen eines Basisteils immer auf die gleiche Art und Weise an, erklärt Bremer. Die Varianten werden dann später mit Hilfe von LMD hergestellt. Der Anwender kann also weiterhin seine Stanzanlage nutzen, um dann aber z. B. Verstärkungen additiv aufzutragen. Durch das LMD-Verfahren und die in ProLMD entwickelten Technologien können wir dabei extrem flexibel und automatisiert agieren. Das entspricht unserer Leitidee: Additive Manufacturing – aber nur dort in der Prozesskette, wo es Mehrwert bedeutet.

Mit diesem Ziel im Visier arbeiten die Aachener zusammen mit insgesamt sieben Industriepartnern an einer hocheffizienten, modularen LMD-Zelle, die sich mit geringem Aufwand in eine bestehende Prozesskette integrieren lässt.
Für maximale Anwendungsflexibilität werden Prozesse sowohl für Draht als auch Pulver als Zusatzwerkstoff entwickelt. Am Fraunhofer ILT entstand u. a. eine Bearbeitungsoptik zur Erzeugung eines Ringstrahls für das koaxiale Laserauftragschweißen, die im ProLMD-Verbundprojekt weiterentwickelt und genutzt wird. Diese Optik erzeugt einen Ring mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung und bietet damit Richtungsunabhängigkeit beim Schweißen. Im Rahmen des Projektes werden dabei Prozesse mit Auftragsraten im Bereich von 1 bis 2 kg/h bei hoher geometrischer Auflösung entwickelt.

Doch warum kommt ein mehrachsiger Roboter zum Einsatz? Für ihn spricht der sehr große Bauraum, seine Flexibilität und die einfache Zugänglichkeit, erläutert Bremer. Wir können in der Versuchsanlage mithilfe von bis zu acht Achsen ein fast beliebig komplexes Bauteil von allen Seiten bearbeiten. Die Anlagentechnik lässt sich dabei mit Robotern erstaunlich preiswert realisieren. Fokus des Projektes ist die Bearbeitung von komplexen Großbauteilen. Bauteile bis zu 1,2 Tonnen Gewicht und einem Durchmesser von zwei Metern können wir auf der Roboteranlage bearbeiten, berichtet der Wissenschaftler.

Die Aufgabenteilung der anderen Systempartner ist klar definiert: Der Geschäftsbereich Lasertec der KUKA Industries GmbH & Co. KG in Würselen übernimmt die Projektleitung und Zellintegration, während sich die Laserline GmbH aus Mülheim-Kärlich um die Strahlquelle und Optik kümmert. Die M. Braun Inertgas-Systeme GmbH, Garching (bei München), ist für den Bau einer Schutzgaszelle zuständig, während die Dortmunder BCT Steuerungs- und DV-Systeme GmbH Software und anlagenintegrierte Messtechnik entwickelt.

Flexibel wird die Plug-in-Lösung, weil sie nach dem Blackbox-Prinzip funktioniert. Uns interessiert nicht, was vorher oder nachher mit dem Bauteil passiert, betont Bremer. Wir arbeiten nicht ein statisches CAD-Modell ab, sondern nutzen dank robuster Systemtechnik und Software in adaptiven Prozessen auch die reale Geometrie. Durch intelligente Algorithmen kann sich die Zelle auch extremen Bauteilabweichungen anpassen und diese kompensieren. Die Betonung liegt dabei bei Hard- und Software auf robust – vom Laserkopf, Roboter bis hin zum flexiblen Schutzgaskonzept und geeigneter angepasster Bahnplanungsalgorithmen. Ein Hinweis, dass das Fraunhofer ILT nicht nur den Schweißprozess weiterentwickelt, sondern auch weitere wichtige Aspekte wie den Einfluss der Robotergenauigkeit auf die Prozesssicherheit und Bauteilqualität erforscht.

Während Projektleiter KUKA in Würselen den Roboter in einer flexiblen Schutzgaszelle oxidationsempfindliche Werkstoffe wie Titan prozesssicher schweißen lässt, arbeiten die Aachener ohne Zelle bei den nickel- und eisenbasierten Werkstoffen mit lokal aus der Düse ausströmendem Schutzgas. Wenn die Auftragsrate höher ausfällt, verwenden sie nach Bedarf zusätzlich einige  wenige Zentimeter große  Schutzgasglocke. Auf diese Weise kommen alle drei Lösungen mit deutlich weniger teurem Schutzgas aus“, so Bremer. „Das senkt die Betriebskosten erheblich. Innovative Prozesse sind dabei nicht nur Forschungsgegenstand, sondern auch Alltag am Fraunhofer ILT. Bei den ersten Versionen der lokalen Schutzgasglocke hatten wir bei höheren Auftragsraten thermische Probleme, berichtet der Forscher. Da unsere Forscherkollegen im pulverbettbasierten selektiven Laserschmelzen (LPBF) aber bereits seit einigen Jahren an der Verarbeitung von Kupfer arbeiten, konnten wir mit ihrer Unterstützung auf einer Forschungsanlage das Bauteil mit innenliegenden Kühlstrukturen additiv aus Kupfer fertigen und das Problem so lösen. Für ihn ist es ein Beispiel dafür, was sich ergeben kann, wenn ein Institut fachübergreifend Lösungen mitentwickelt.

Mehr über die Erfolge proaktiven Teamworks  erfahren die Teilnehmer auf dem „AKL‘20 – International Laser Technology Congress“ bei Vorträgen (6. Mai: Forum Additive Fertigung, 7. Mai: Session zu Laser Powder Bed Fusion  LPBF sowie am 8. Mai: Session zu Laser Material Deposition LMD) und Vorführungen (7. Mai: Lasertechnik Live) bei der Besichtigung einer großen und einer kompakteren Roboterzelle für die additive Fertigung am Fraunhofer ILT. Auf diese neueste Entwicklung sind die Projektteilnehmer besonders stolz: Mit zusätzlicher finanzieller Unterstützung durch das BMBF entsteht eine preiswertere Variante der ProLMD-Roboteranlage für kleine und mittlere Unternehmen (KMU), die auf dem AKL‘20 erstmals der Öffentlichkeit gezeigt wird. „Wir haben die Lösung von einem 3,1 m langen Roboterarm und 90 kg Traglast auf etwa 2 m und 60 kg Traglast herunter skaliert“, berichtet der Wissenschaftler. „Am großen Roboter zeigen wir dabei den neuen Drahtkopf, in der kleinen Zelle geht es um pulverbasiertes LMD, maschinenintegrierte Geometrievermessung und das neue CAM-Modul.“ Mit der neuen Zelle beweisen die Aachener in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern, dass sich auch eine kompakte Zelle für KMU realisieren lässt, die nochmals deutlich weniger als ein typisches Bearbeitungszentrum kostet.

Autor: Nikolaus Fecht im Auftrag des Fraunhofer ILT

Abstract
Die additive Fertigung ermöglicht disruptive Innovationen bei der Herstellung neuartiger Produkte, den flexiblen Einsatz maßgeschneiderter Materialien und verspricht drastische Fortschritte in Bezug auf die Ressourceneffizienz. Zentrale Vorteile der additiven Fertigung, wie etwa die Verkürzung des Time-to-Market oder die einfache Produktindividualisierung, können bislang jedoch fast ausschließlich bei hochwertigen, vergleichsweise kleinen Bauteilen und Produktionsvolumina bis zur Klein- bzw. Mittelserienfertigung rentabel genutzt werden. Die Vorteile müssen bisher häufig gegen teure Rohmaterialien, Prozesse und Systemtechnik abgewogen werden. Die flexible Verbindung konventioneller Fertigungsketten mit additiven Prozessen bietet signifikante Synergiepotentiale und wird als hybrid-additive Fertigung bezeichnet. Ein geeigneter Prozess für diesen Ansatz ist das Laserauftragschweißen, auch Laser Material Deposition (LMD) genannt. Hohe Materialeffizienz, nur durch die Maschinenachsen beschränkte Arbeitsräume und die Möglichkeit mit großen Auftragraten auf Freiformflächen zu arbeiten, machen den Prozess ideal für die Industrialisierung der hybrid-additiven Fertigung. Ziel des ProLMD-Projektes war die Entwicklung einer ökonomischen Prozesskette mit roboterbasierter Systemtechnik und geeigneten Prozessen und Automatisierungslösungen. Demonstrator-Komponenten aus dem Konsortium decken dabei ein breites Spektrum von Werkzeugbau über Strukturkomponenten in der Luftfahrt bis zu Triebwerkskomponenten ab. Für empfindliche Materialien wurden verschiedene Schutzgaskonzepte entworfen, umgesetzt und erprobt. Innovative Bearbeitungsoptiken für Pulver- und drahtbasierte Prozesse sowie ein angepasstes Software-System für die benutzerfreundliche Programmierung und adaptive Prozessführung wurden implementiert. Geeignete LMD-Prozesse wurden für verschiedene Materialien in den Demonstrationsanwendungen entwickelt. Dabei wurden unter anderem Rohmaterialanalysen, metallographische Evaluation sowie mechanische Charakterisierungen durchgeführt. Konzepte für eine neuartige Prozessführung mit Parameteranpassung basierend auf maschinenintegrierter Messtechnik wurden evaluiert und demonstriert. Dieser Bericht fasst die zentralen Ergebnisse aller Projektpartner zusammen und zeigt das Potential für eine innovative Hybrid-additive Prozesskette für eine große Bandbreite an Anwendungen. Die Machbarkeit und Skalierbarkeit der entwickelten Prozesskette wurde für mehrere Materialien und Anwendungen auf insgesamt drei Robotersystemen verschiedener Größe und Kosten demonstriert.

Den vollständen Bericht finden Sie hier http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-633180.html