Inno­va­ti­ve Über­wa­chung von Pulverströmen

POW­DER­screen über­wacht Pul­ver­strö­me in die Laserschmelze

Wenn kom­plex geform­te Bau­tei­le bezie­hungs­wei­se Uni­ka­te her­zu­stel­len sind, set­zen immer mehr Unter­neh­men auf den indus­tri­el­len 3D-Druck. Aller­dings kön­nen die Ein­lauf­kur­ven gera­de bei Klein­se­ri­en noch recht lang und die Aus­schuss­quo­ten anfangs groß sein. Das Fraun­ho­fer-Insti­tut für Werk­stoff- und Strahl­tech­nik IWS Dres­den ent­wi­ckelt daher moder­ne Mess- und Regel­tech­nik, mit der sich addi­ti­ve Ver­fah­ren viel effek­ti­ver als bis­her ein­set­zen las­sen, zum Bei­spiel für hoch­au­to­ma­ti­sier­te Fer­ti­gungs­stre­cken. Dazu gehört der POW­DER­screen – ein ein­zig­ar­ti­ges Pul­ver­mess­ge­rät für das Laser­auf­trag­schwei­ßen. Das Fraun­ho­fer IWS demons­triert die­ses inno­va­ti­ve Sys­tem im Mai 2022 wäh­rend der »3. Fach­ta­gung Werk­stof­fe und Addi­ti­ve Fer­ti­gung« im Deut­schen Hygie­ne-Muse­um Dresden.
Kon­zi­piert ist das Gerät für das Laser­auf­trag­schwei­ßen. Bei die­sem addi­ti­ven Fertigungs‑, Beschich­tungs- und Repa­ra­tur­ver­fah­ren för­dern Spe­zi­al­dü­sen kon­zen­trier­te Strö­me aus Metall­pul­ver genau in den Fokus eines Laser­strahls. Der schmilzt das Pul­ver auf der Werk­stück­ober­flä­che auf, um aus die­ser Schmel­ze kom­ple­xe 3D-Struk­tu­ren zu erzeu­gen. Mit dem Pul­ver­strom­mess­ge­rät lässt sich künf­tig genau aus­mes­sen, wel­che Metal­le in wel­cher Men­ge in den Laser­fo­kus strö­men. Die­ser Ansatz kann die Kos­ten beim pul­ver­ba­sier­ten Laser­auf­trags­schwei­ßen sen­ken, die Qua­li­tät der erzeug­ten Bau­tei­le ver­bes­sern und den gan­zen Pro­duk­ti­ons­pro­zess exakt wie­der­hol­bar gestal­ten – gera­de dies ist in der High­tech-Indus­trie eine beson­ders wich­ti­ge Anforderung.

Wich­ti­ger Schritt zu einem gere­gel­ten Fertigungsprozess

»Bis­her bleibt das pul­ver­ba­sier­te Laser­auf­trag­schwei­ßen noch immer hin­ter sei­nen Mög­lich­kei­ten zurück. Mit dem Pul­ver­strom­mess­ge­rät gehen wir einen gro­ßen Schritt hin zu einem effi­zi­en­te­ren, gere­gel­ten und auto­ma­ti­sier­ten addi­ti­ven Fertigungsprozess.«
—  Rico Hemschik

Um dies zu ermög­li­chen, kom­bi­niert das Sys­tem moder­ne Sen­so­rik mit spe­zi­el­ler Soft­ware, einem Bild­schirm sowie Schnitt­stel­len für die Daten­über­ga­be. Pho­to­sen­so­ren zäh­len hier die Par­ti­kel im Pul­ver­strom, die Soft­ware berech­net dar­aus die För­der­men­gen. Der Bild­schirm zeigt dem Maschi­nen­füh­rer die auf­be­rei­te­ten Daten an.
Ein beson­de­rer Vor­teil ist die uni­ver­sel­le Ein­satz­fä­hig­keit: Das Gerät lässt sich an jeden Pro­zess­kopf für das Pul­ver-Laser­auf­trag­schwei­ßen mon­tie­ren. Ein Anwen­dungs­bei­spiel, in dem das Mess­ge­rät sei­ne Stär­ken aus­spielt, ist die Düse COAX­quat­tro. Die­ser Pro­zess­kopf wur­de am Fraun­ho­fer IWS ent­wi­ckelt, um bis zu acht ver­schie­de­ne Pul­ver oder Dräh­te in getrenn­ten Kanä­len in den Laser­fo­kus zu för­dern und dort In-situ-Legie­run­gen zu erzeu­gen. Da die Düse pro Kanal bis zu 30 Gramm je Sekun­de unter­stützt, las­sen sich hier erheb­li­che Pul­ver­ra­ten erzie­len. Wegen der gro­ßen För­der­men­gen eig­net sich die Kom­bi­na­ti­on aus bei­den Pro­duk­ten beson­ders für Hoch­leis­tungs­pro­zes­se, in denen gro­ße und kom­ple­xe Bau­tei­le mit hoher Qua­li­tät, Repro­du­zier­bar­keit und Geschwin­dig­keit erzeugt, beschich­tet oder repa­riert wer­den müssen.
Das Mess­ge­rät lässt sich auch mit wei­te­ren Pro­zess­über­wa­chungs­sys­te­men kom­bi­nie­ren, die das Fraun­ho­fer IWS ent­wi­ckelt hat. Dazu gehö­ren unter ande­rem die Emaqs-Kame­ra für die Pro­zess­reg­lung, die Sen­so­rik-Box COAX­jay oder das Mess­sys­tem LIsec für die Pul­ver­ke­gel-Geo­me­trie. Über sei­ne Schnitt­stel­len lässt sich POW­DER­screen gemein­sam mit die­sen Gerä­ten in moder­ne Indus­trie­um­ge­bun­gen oder Lösun­gen für das Indus­tri­el­le Inter­net der Din­ge (IIoT) inte­grie­ren. Mög­lich ist bei­spiels­wei­se eine ana­lo­ge Daten­aus­ga­be über eine Span­nungs-Schnitt­stel­le, über das IIoT-Pro­to­koll »Mes­sa­ge Queu­ing Tele­me­try Trans­port« (MQTT) oder die Daten­über­ga­be per Software.

Auto­ma­ti­sche Gene­se von »Digi­ta­len Zwil­lin­gen« möglich

Sol­che kom­bi­nier­ten Pro­zess­über­wa­chungs­sys­te­me sol­len künf­tig auch selbst­stän­dig Digi­ta­le Zwil­lin­ge von addi­tiv erzeug­ten Bau­tei­le gene­rie­ren. Denn die Infor­ma­tio­nen dar­über, an wel­cher Stel­le der Laser wel­ches Pul­ver in wel­cher Men­ge auf­ge­schmol­zen, legiert und geformt hat, las­sen sich prin­zi­pi­ell auch auto­ma­ti­siert zu einem vir­tu­el­len Com­pu­ter­mo­dell zusam­men­füh­ren. Mit her­kömm­li­chen Metho­den wäre es schwer bis unmög­lich, sol­che loka­len Legie­rungs­ver­än­de­run­gen inner­halb eines Bau­teils exakt zu modellieren.
Gro­ße Ein­satz­po­ten­zia­le sehen die For­schen­den am Fraun­ho­fer IWS unter ande­rem in der Luft- und Raum­fahrt. Dort lässt sich das Sys­tem bei­spiels­wei­se ein­set­zen, um kom­pli­ziert geform­te Tur­bi­nen­schau­feln mit addi­ti­ven Ver­fah­ren in gleich­blei­bend hoher Qua­li­tät zu repro­du­zie­ren und zu repa­rie­ren. Ähn­li­ches gilt für Prä­ge­werk­zeu­ge im Auto­mo­bil­bau oder die Pro­to­ty­pen­fer­ti­gung quer durch nahe­zu alle Industriebranchen.
Wenn Maschi­nen­füh­rer in Zukunft pul­ver­ba­sier­te Laser­auf­trags­schweiß­an­la­gen nicht mehr »frei­hän­dig« und mit vie­len Ver­su­chen ein­rich­ten müs­sen, son­dern auf der Basis exakt erfass­ter und wie­der­hol­ba­rer Pro­zess­pa­ra­me­ter, dann lie­gen die Vor­tei­le auf der Hand: Die Ein­lauf­kur­ve ver­kürzt sich, die Aus­schuss­quo­te zu Beginn einer Klein­se­rie sinkt. Zudem wer­den die Pro­zes­se dadurch effi­zi­en­ter und in hoher Qua­li­tät repro­du­zier­bar. Nicht zuletzt las­sen sie sich künf­tig auto­ma­ti­siert doku­men­tie­ren – was wie­der­um wich­tig für spä­te­re Garan­tie­fäl­le sein kann.
Wäh­rend die­ser Tagung der Deut­schen Gesell­schaft für Mate­ri­al­kun­de e. V. (DGM) rich­tet das Insti­tut am 12. Mai 2022 das Sym­po­si­um »High Entro­py Alloys: Poten­ti­al for indus­tri­al app­li­ca­ti­ons« aus. Im Fokus ste­hen dabei die Mög­lich­kei­ten und Her­aus­for­de­run­gen der Indus­tria­li­sie­rung neu­ar­ti­ger, soge­nann­ter Hoch­en­tro­pie­le­gie­run­gen für poten­zi­el­le Anwender.