03.08.2021
News
Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen hat ein hybrides additives Fertigungsverfahren entwickelt, das draht- und pulverbasiertes Laserauftragschweißen (LMD) verbindet. Damit können Schutzschichten aus hochfestem Werkzeugstahl auf Werkstücke aufgebracht und Oberflächendefekte kostengünstig repariert werden.
Additive Fertigungsverfahren wie das Laserauftragschweißen (LMD) werden eingesetzt, um Bauteile zu fertigen oder lokal zu optimieren. Beim LMD wird ein Laserstrahl auf die Bauteiloberfläche fokussiert; gleichzeitig wird ein Zusatzwerkstoff – üblicherweise als Pulver oder Draht – zugeführt und aufgeschmolzen. Das LMD eignet sich gut, um Schutzschichten auf die stark beanspruchten Bauteile aufzubringen, Schadstellen zu reparieren und die Geometrie von Werkstücken auch kurzfristig zu verändern.
Ein Wissenschaftlerteam des Fraunhofer IPT hat gemeinsam mit seinen internationalen Projektpartnern in dem kürzlich abgeschlossenen Forschungsprojekt „MatLaMeD“ (gefördert vom BMBF) eine hybride Variante des Laserauftragschweißens entwickelt, bei der zeitgleich Draht und Pulver verarbeitet werden. Durch die Hinzugabe von Hartstoffpartikeln in Pulverform zum Drahtwerkstoff gelang es dem Team nach eigenen Angaben erstmals, wichtige Materialeigenschaften wie Härte und Zähigkeit der aufgetragenen Schichten gezielt einzustellen. Zudem soll das Verfahren deutlich kostengünstiger als ein reiner Pulverprozess sein und eine größere Materialflexibilität als ein reiner Drahtprozess bieten.
Um die besten Material-Kombinationen für verschiedene Anwendungen zu identifizieren, testete das Team zahlreiche Werkstoffe. Als Drahtmaterialien für die praktischen Versuchsreihen wählten es schließlich einen Warmarbeitsstahl mit guter Gefügestabilität sowie einen niedrig legierten Stahl, der sich gut schweißen lässt. Als Pulverwerkstoffe kam in den Testreihen Chrom (Cr) als Karbidbildungs- und Kornfeinungselement sowie Titancarbid (TiC) als Hartphase zum Einsatz.
Durch die Kombination von Draht und Pulver ließ sich die Werkstoffzusammensetzung für jede Anwendung flexibel anpassen. Die Zugabe des Pulverwerkstoffs erlaubte es, die Mikrostruktur der Werkzeugstähle gezielt zu verändern und die Härte der aufgebrachten Schichten zu steigern: Schon die Zugabe kleiner Mengen Titancarbid führte zu Härtesteigerungen bis zu 30 %. „Mit dem neuen Verfahren können wir nun auf unterschiedliche thermische, chemische und mechanische Belastungen rasch und flexibel reagieren, da wir Zähigkeit und Härte punktgenau einstellen können“, so Projektleiter Marius Gipperich. Das neue Verfahren sei ein perfektes Instrument, um den Oberflächenverschleiß zu minimieren und die Lebensdauer von Bauteilen deutlich zu verlängern.
Die positiven Ergebnisse bieten eine Basis, um die neue Methode zur Entwicklung weiterer Materialsysteme mit speziellen Eigenschaften zu nutzen. Weiter ist Einsatz des hybriden LMD-Prozesses in verschiedenen Anwendungsgebieten, etwa zur Bearbeitung von Umformwerkzeugen oder zur Behandlung von Reibverschleißschichten von Hydraulikkomponenten geplant. Derzeit erfolgt der Test des Verfahrens bei der Herstellung gradierter Schichtsysteme. Dafür soll der Titancarbid-Gehalt des Werkstoffgemischs so weit wie möglich steigen. Da Titancarbid hohe Eigenspannungen verursachen kann, die die Rissanfälligkeit beim Schweißen erhöhen können, möchte das Aachener Forschungsteam den TiC-Gehalt Schicht für Schicht individuell anpassen.