© Fraunhofer ILT Laserauftragschweißen (LA) Grundlagen und Anwendungen
© Fraunhofer ILT
Laserauftragschweißen (LA)
Grundlagen und Anwendungen
© Fraunhofer ILT
Erforderliche Expertise für das LA
Handhabung PulverProzessmanagement Werkstoffe
Prozesskontrolle und Prozessregelung
Laserquellen Prozessmodellierung
100µm
© Fraunhofer ILT
PulverdüseLaserstrahl
Schicht
Pulver-Gas-Strom
InnererSchutzgas-Strom
Spur
t
b hÜ
Prinzip des Laserauftragschweißens
b = Breite
h = Höhe
t = Einschmelztiefe
Ü = Überlapp
Laserstrahl
Pulverdüse
Schmelzbad
bWEZ
Hochpräzises Auftragen von Schichtdicken von 0,1 mm bis zu mehreren cm
Geringe Wärmeeinbringung geringer Verzug
Große Vielfalt an Zusatzwerkstoffen
Hohes Potenzial für Automatisierung
© Fraunhofer ILT
Anwendungen
Reparatur und Modifikation
Turbomaschinenbau
Werkzeug- und Formenbau
Verschleiß- und Korrosionsschutz
Werkzeug- und Formen
Maschinenbau
Kontaktierung
Elektronik
Generative Fertigung
Funktionsprototypen
Serienteile?
© Fraunhofer ILT
Werkstoffe
Standardprodukte:Preis pro kg Pulver: 20 - 100 €
Sonderwerkstoffe:Preis pro Verdüsung (3-5 kg): 1500 - 2500 €
Typische Förderraten beim Auftragschweißen: 1 - 15 g/min
Pulverwirkungsgrad: 50 -90 %
Kobalt- und Nickelbasislegierungen
Härte: 20 - 63 HRCgute Korrosions- und Verschleißeigenschaftengute Gleiteigenschaftengeeignet für hohe Temperaturenrissanfällig beim Auftragschweißen
Eisenbasislegierungen
Härte: 40 - 70 HRCgute Verschleißeigenschaftengeeignet für niedrige bis mittlere Temperaturengering rissanfällig beim Auftragschweißen
Weitere Werkstoffe
Aluminiumlegierungen
Intermetallische Legierungen (TiAl)
…
© Fraunhofer ILT
Low Pressure
Compressorhigh pressure
compressor
combus-
tion chamber
high
pressure
turbine
low pressure
turbine
Fan blade
(Titanium)
LPC BLISK
(Titanium)
HPT blades
(DX or SX)
HPT case
(Inconel)
Labyrinth seals
(Nimonic or
Titanium)
LPT blades
(Inconel)
HP front drum
(Titanium)
Beispiel Reparatur : BR 715 Turbine von Rolls-Royce
HPC blades
(Inconel)
HPC blades
(Titanium)
© Fraunhofer ILT
Front Drum
Reparatur einer Dämpfungsnut (Stufe 4, 5, 6)
Stage 4, Stage 5, Stage 6Jet engine BR715 Stage 1, Stage 2, Stage 3
In Kooperation mit Rolls-Royce Deutschland
© Fraunhofer ILT
Reparatur der Dämpfungsnut, Werkstoff Ti6246
Beschichtete NutFront Drum
Vor / nach LMD
In Kooperation mit Rolls-Royce Deutschland
© Fraunhofer ILT
Beispiel Verschleißschutz: Formkern für den Spritzguss
Verfahrenstechnik
• Grafitisierung zur Erhöhung der Absorption
• Anstellung des Beschichtungskopfes, um horizontale und vertikale Flächen in einer Aufspannung zu beschichten
• Verlängerung der Spitze zur aktiven Kühlung
• Auftragschweißen mit Temperaturregelung
Kühlung
© Fraunhofer ILT
Gradientenschicht Fe33Ni + 1.2083
© Fraunhofer ILT
Gradientenschicht Fe33Ni + 1.2083
Cu + Gradient
1.2343Cu + Gradient
1.2343
IR –Aufnahme nach Produktionszyklus von 30 min
T 5 °C
Formkerne in der Spritzgießmaschine
© Fraunhofer ILT
Generative Fertigung: Aufbaustrategie
z. B. alternierend mäanderförmig mit Konturfahrt
1.Lage 2.Lage sV
Schweißraupe
Höhe
Breite
1. Lage
2. Lage
Aufbau von Schichten
3. Lagealternierend
z = Höhenzustellung
z
Anpassung Parameter und Aufbaustrategie
20 mm
© Fraunhofer ILT
Prozessüberwachung: Soll-Ist-Vergleich
Micro Epsilon Scan Control 2700
• Rasche Messung (Überfahrt in wenigen Sekunden)• Vermeidung von Abschattungen durch
Mehrfachüberfahrt, Verkippung des Körpers• Genauigkeit um 5 µm• Detailauswertung möglich (z. B. Höhenprofile)
Geometrieerfassung mittels Scanner
Scanner
Messkamera
175
225
200
44
50
mm
mm
0
0,05
0,10
0,15
0,20
0
0,05
0,10
0,15
0,20
© Fraunhofer ILT
Verfahrensparameter:Laserleistung PL: 300 WLaserstrahlfokus dF: 1100 µmVorschubgeschw. v : 400 mm/minSchichthöhe hSchicht: 300 µmSpurversatz bVersatz: 500 µm
80% A, 20% B
60% a, 40% B
40% A, 60% B
20% A, 80% B
Lagen 8- 10 aufgebautaus Werkstoff A
Lagen 1- 3 aufgebautaus Werkstoff B
Substrat (1.2343)
SubstratmaterialWerkstoff B
Werkstoff A
Au
fbau
rich
tun
g
Gra
die
nt
Gradierte Werkstoffe
Variable Einstellung von Volumeneigenschaften und Randschichteigenschaften
(hoher Aufmischungsgrad erforderlich zur Vermeidung von Eigenschaftssprüngen)
z. B. zäher Kern und verschleißfeste Randschicht
Aufbau gradierter Volumenkörper
© Fraunhofer ILT
Verbundwerkstoffe
Aufbau von Schichtverbundkörpern
Variable Einstellung von Mischeigenschaften (geringer Aufmischungsgrad
erforderlich zur Vermeidung von Eigenschaftssprüngen)
z. B. zähe Schichten zum Stoppen des Risswachstums
Werkstoff A
Werkstoff B
© Fraunhofer ILT
Beispiel: Modifizieren eines Werkzeugeinsatzes
Bahnprogrammierung
Auftragschweißen
Fertig geschweißtes Werkzeug
© Fraunhofer ILT
Beispiel: Reparatur eines Druckgießwerkzeugeinsatzes
Verschlissener Werkzeugeinsatz
Digitalis ierung der Kontur und Erstellung eines CAD-Modells
Bahnprogrammierung
Abdrehen des ver-schlissenen Bereichs
EndbearbeitungGeneratives Auftragschweißen
Diese Folie nur zeigen nicht als Handout
© Fraunhofer ILT
Laserauftragschweißen als generatives Verfahren
Near-Netshape- Generieren des vollständigen Einsatzes auf einer Preform
Aufbau Hülle-Kern
Kern: duktil aus 1.4404(X 2 CrNiMo 17-12-2), ca. 20 HRC
Hülle: verschleißfest, Metco 42 C(Fe 16Cr 2Ni 0,2C), ca. 50 HRC
Beispiel: Herstellung gradierter Druckgießwerkzeugeinsätze
© Fraunhofer ILT
Hülle: Metco 42 C Kern: 1.4404 Übergangszone
AustenitMartensit + Ferrit
Querschliff Werkzeugeinsatz:
Kleiner Übergangsbereich Hülle-Kern
Anschneidung des Kerns durch Nacharbeit
Große Dickenunterschiede im Bereich der Hülle
Beispiel: Herstellung gradierter Druckgießwerkzeugeinsätze
© Fraunhofer ILT
Weiterentwicklung des generativen Laserauftragschweißens
Qualität
Genauigkeit / Verzug
Aufbaustrategie,
Prozessüberwachung/-regelung
Reproduzierbarkeit, Übertragbarkeit
auf andere Bauteile
Prozessüberwachung /–regelung =>
adaptives LMD, Datenbank
Produktivität
Aufbaurate
Parameter anpassen,
Aufbaustrategie, „Lichtbalken“
Materialeffizienz
Wirkungsgrad verbessern, Recycling
Quelle: LENS ™
© Fraunhofer ILT
Genauigkeit / Verzug
Lösungsansätze
Hülle-Kern-Strategie (Füllen mit großem
Strahldurchmesser, Kontur mit kleinem
Strahldurchmesser => Zoom-Optik)
Geometrieüberwachung (integrierter
Scanner) => Anpassung Parameter,
Aufbaustrategie
Prozessregelung
Vorwärmung (Abbau von thermisch
induzierten Spannungen)
Stand der Technik: 0.3-0.5 mm
Ziel: 0.1 mm
Qu
ell
e: P
&G
Bra
un
Bearbeitungskopf
Scanner
Zoom-Optik
Weiterentwicklung des generativen Laserauftragschweißens
© Fraunhofer ILT
Reproduzierbarkeit, Übertragbarkeit
Lösungsansätze
Prozessüberwachung (Kamera, Pyrometer)
Prozesskontrolle
Messgrößen: Temperatur, Schmelzbadgröße,
Abstand, Schichthöhe, …
Regelgrößen: Leistung, Pulvermassenstrom,
Strahldurchmesser, …
Stand der Technik: Individuelle Anpassung der Parameter
Ziel:Adaptives LMD
Visualisierung des Schmelzbades mit Fremdbeleuchtung
Schmelzbadgröße, -.form und -temperatur bei konstanten Parametern
Quelle: ILT
Quelle: ILT
Weiterentwicklung des generativen Laserauftragschweißens
© Fraunhofer ILT
LösungsansätzeAufbaurate und Wirkungsgrad
Lösungsansätze
Prozessführungsstrategien
(z. B. Hülle-Kern-Strategie)
Umsetzung von Laserleistung in Aufbaurate
Auftragschweißen mit
schaltbaren„Lichtbalken“ (z.B. Diodenemitter
in Form von Arrays) -> neue Konzepte für die
Pulverzufuhr erforderlich
Pulvernutzungsgrads durch Düsendesign
verbessern, Pulver-Recycling
Stand der Technik:< 20 mm3/s
Ziel:> 100 mm3/s 90 mm
Große Strahlbreite mit angepasster Intensitäts-verteilung durch Strahlformungsoptiken
© Fraunhofer ILT
Perspektiven für die Produktion
Herstellung von Funktionsprototypen
Herstellung/Modifikation von (Klein)Serienteilen
Hybride Werkstoffkonzepte für den Leichtbau
Funktionsangepasste Werkstoffe
(z. B. gradierte Werkstoffe)
© Fraunhofer ILT
Mikro-Laserauftragschweißen
Mikro-LA mit manuellen Systemen
Quelle: Rofin
Makro-LA mit automatisierten Systemen
Quelle: Braun /Reis
Strahldurchmesser : d < 500 µmZusatz: Draht
Anwendungen:• Werkzeug- und Formenbau• Schmuckindustrie
Strahldurchmesser : d > 500 µmZusatz: Pulver (Draht)
Anwendungen:• Werkzeug- und Formenbau• Turbomaschinenbau• Automobiltechnik
Mikro-LA mit automatisierten Systemen
10mm
•Größere Auswahl von Zusatzwerkstoffen (Pulver)
•Größere Prozesssicherheit•Senkung der Kosten•Erschließung neuer Anwendungen: z. B. Elektronikindustrie
© Fraunhofer ILT
Herausforderungen
Randbedingungen und Herausforderungen für das pulverbasierte Mikro-Laserauftragschweißen
Brillante Laserstrahlquellen
Handhabungssysteme mit hoher Präzision
Förderung kleiner Pulverkornfraktionen (< 20 µm) => Konstanz der Förderrate, kleine „Divergenz“ des Pulver-Gas-Strahls
Angepasste Verfahrensparameter
© Fraunhofer ILT
Strahlkaustik des SP 100C (SPI)
Grundlagen des Mikro-Laserauftragschweißens
Single Mode Faserlaser
= 1090 nm
SPI: Pmax = 100 W
IPG: Pmax = 200 W
Brennweite:f = 150 mm db 50 µm
cw
gepulst ( 100 ms)Primes Micro Spot Monitor
Brillante Laserstrahlquellen
© Fraunhofer ILT
Grundlagen des Mikro-Laserauftragschweißens
Konventionelle Pulverförderer sind ausgelegt für Pulverkornfraktionen > 20 µm
Mikro-LA erfordert Pulverkornfraktionen d < 15 µm
Feine Partikel neigen zur Agglomeration
Fließfähigkeit verschlechtert sich
Konventionelle Pulverförderer sind nicht nutzbar
Stahlpulver: d= 45-63 µm d < 30 µm
Pulverförderung
Pulverförderer mit Abstreifer
© Fraunhofer ILT
Grundlagen des Mikro-Laserauftragschweißens
Bürstenförderer: Förderung von Pulver mit d = 0,1 µm - 100 µm
Pulver
Bürste
GasAerosol
Zufuhrkolben
Fördereinheit
Fördereinheit
Pulverförderung
Nachteil: Große Gasvolumenströme erforderlich: 6-8 l/min
© Fraunhofer ILT
Ergebnisse
Substrat: 1.4403 (Edelstahl)
Pulverwerkstoff 316L: 1.4404
Pulverpartikeldurchmesser: 1 - 9 µm
Ergebnis:
Gleichmäßige Spurgeometrie
Spurbreite: 50 µm
Spurhöhe: 7 µm
Schmelztiefe: 6 µm
Aufmischungsgrad: > 40 %
Querschnitt
Aufsicht
P = 14 Wv = 500 mm/minØL= 60 µm
Substrat
Einzelspuren
© Fraunhofer ILT
Gitterstrukturen auf Triebwerksbauteilen
Röntgensichtbarkeit von Stents
Kontaktierung elektrischer Schaltkontakte
Kontaktierung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen
(Potentielle) Anwendungen
© Fraunhofer ILT
Gitterstrukturen auf Triebwerksbauteilen
Gitterstrukturen sollen Haftfestigkeit der APS-gespritzten TBCs erhöhen
Substitution des Bond Coat
Viele Bauteile in Flugtriebwerken sind hohen Temperaturen(> 800 °C) ausgesetzt und müssen mit Wärmedämmschichten (TBC) geschützt werden.
Brenngas
Kühlluft
Tem
pera
tur
TBC (Keramik, z.B. ZrO2)
Bond Coat (z.B. MCrAlY)
Turbinenteil(z.B. aus Ni-Basis-Legierung)
APS = Atmospheric Plasma Spraying
TBC = Thermal Barrier Coating
© Fraunhofer ILT
Gitterstrukturen auf Triebwerksbauteilen
Bauteile
Substrat: Mar M-002 (NGV) und CMSX-4 (HPT)
Gitterstrukturen werden durch Mikro-LA aufgebracht
NGV: Nozzle Guide Vane
Oberfläche auf die die Gitterstrukturen aufgebracht werden
1.5±0.5 mm
Oberfläche auf diedie Gitterstrukturenaufgebracht werden
HPT (High Pressure Turbine) Liner
1.5±0.5 mm
Quelle: Rolls Royce
Quelle: Rolls Royce
© Fraunhofer ILT
Gitterstrukturen auf Triebwerksbauteilen
Mikro-LA der Gitterstrukturen auf den Bauteilen HPT Liner und NGV
dL = 280 µm
PL = 80 W
v = 2000 mm/min
4 Lagen
20mm
Quelle: Rolls Royce
© Fraunhofer ILT
Gitterstrukturen auf Triebwerksbauteilen
Keine Bindefehler, Risse und Poren in den Gitterstrukturen
Analyse der Gitterstrukturen
Aufsicht auf die erzeugtenGitterstrukturen
Längsschliff der Gitterstrukturen
2 mm
Kreuzungspunkt
Substrat:Liner1 (CMSX-4)
aufgetrag. Werkstoff (Inconel 625)
Quelle:Rolls Royce
© Fraunhofer ILT
Gitterstrukturen auf Triebwerksbauteilen
Gitterstrukturen an Zylinderoberflächen der HPT Liner und NGV
HPT Liner mitGitterstrukturen
Nozzle Guide Vane mit Gitterstrukturen (ILT Aachen)und mit TBC Schicht durch APS (FZ Jülich)
Quelle: Rolls Royce
© Fraunhofer ILT
Kontaktierung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen
• Galvanische Beschichtung• großflächiger Stromfluss in die Bipolarplatte
Bipolarplatte mit galva-nischer Goldbeschichtung
Bipolarplatte mit selek-tiver Goldbeschichtung
Goldkontakte i
• lokale/selektive Beschichtung (Punkte oder Linien)
• Reduktion des Goldmaterials• Punktuelle Verbindung zwischen MEA und
Bipolarplatte
i
Motivation
© Fraunhofer ILT
Kontaktierung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen
Ebene Testplatten
45 x 45 mm
Variation desAbstandes derGoldkontakte
0
100
200
300
400
500
0 100 200 300 400 500
Kontaktdruck [N/cm²]
Ko
nta
ktw
ide
rsta
nd
[m
·cm
²] Flexible Graphitfolie
Nickelbasislegierung & GD 6 mm
Nickelbasislegierung & GD 4 mm
Nickelbasislegierung & GD 2 mm
Nickelbasislegierung
Abstand GD
Kontaktwiderstand in Abhängigkeit vom Kontaktdruck
© Fraunhofer ILT
Kontaktierung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen
GalvanischeBeschichtung
Mikro-LA
@ 1/2011 Goldpreis: 43 USD/g
1000µm
50 µm
100mm
GalvanischeBeschichtung
Werkstoffvolumen:8 mm3 für Schicht-dicke von 0,8 µm
Werkstoffkosten:6,64 $ pro Seite
Mikro-LA
Werkstoffvolumen:0,08 mm3 (für Breite70 µm und Höhe 30 µm)
Werkstoffkosten: 0,0664 $ pro Seite
(Voraussetzung: 100 % Recycling)
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung (nur Werkstoff)
© Fraunhofer ILT
Kollimator
Zoom
Koaxiale Pulverdüse
Sonderoptiken für das LMD: Zoomoptik
Strahldurchmesser einstellbar von 0.5 – 2.5 mm
Arbeitsebene bleibt fix
Steuerung des Zooms über die Steuerung der Handhabung
20 cm
Motor
© Fraunhofer ILT
Konventionell: Aufbau durch Überlappung mehrerer Spuren
Zoom: Aufbau mit einzelner Spur durch Variation der Breite
Anwendung: Tip-Repair von Turbinenschaufeln
Tip
© Fraunhofer ILT
Prinzip
Linearer Anstieg/Abfall von Strahldurchmesser und Laserleistung über die Spurlänge Konstanter Pulvermassenstrom Konstante Geschwindigkeit
1 2
d = 600 µm
d = 2400 µm
d = 600 µmR = 110 mm
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Track length [mm]
Lase
r b
eam
dia
mete
r [µ
m]
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Lase
r p
ow
er
[W]
Laser beam diameter
Laser power
1
© Fraunhofer ILT
© Fraunhofer ILT
Ergebnis
20 mm
12 m
m
3 mm
LMD von 25 Lagen
d = 3000 µm
d = 800 µm
© Fraunhofer ILT
Innenbearbeitungsköpfe
Technische Spezifikationen
Laserstrahlquelle Nd:YAG, Diode, Scheibe, Faser
Laserleistung 0.5-3 kW (4-6 kW)
Pulverkornfraktion 20-100 µm
Spurbreite 1.5 - 3 mm (- 5 mm)
Minimum internal diameter of the work piece > 25 mm (Standard: 50 mm)
Maximale Eintauchtiefe 500 mm (1000 mm)
Gewicht 3-30 kg
© Fraunhofer ILT
Inside LMD Head
In cooperation with Pallas Oberflächentechnik
© Fraunhofer ILT
Andreas Weisheit
Fraunhofer Institut für Lasertechnik
Steinbachstraße 15
D-52074 Aachen, Deutschland
Phone: +49 (0) 241 89 06 -403
Fax: +49 (0) 241 89 06 -121
Email: [email protected]
Vielen Dank für IhreAufmerksamkeit!Fraunhofer ILT