Oxidationsschutz für additiv gefertigtes Titan

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Maschinen- und Anlagentechnik
Additive Manufacturing
Das Fraunhofer IWS hat neue Verfahren für die Additive Fertigung entwickelt: Einen Oxidationsschutz für additive Fertigung von Titan und ein Messgerät, das den Verschleiß einer Pulverdüse erfasst.

Additive Fertigungsanlagen können hochkomplexe Bauteile erzeugen, die mit klassischen Werkzeugmaschinen gar nicht oder nur mit hohem Aufwand produzierbar wären. Dennoch gehören solche industriellen 3D-Drucker längst noch nicht zur Standardausrüstung in Fabriken. Das liegt nicht nur an den Anschaffungskosten, sondern auch an vielen Problemen im Detail. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden hat Lösungen gefunden und stellt sie im November 2019 auf der Fachmesse formnext in Frankfurt am Main vor. Dazu gehören mit COAXshield eine lokale Schmelzbadabschirmung für das Laser-Pulver-Auftragschweißen und das Analyse-Gerät LIsec, mit dem sich der Pulverfluss bei Additiven Fertigungsverfahren kontrollieren lässt.

Der in der Raumfahrt beliebte Werkstoff Titan oxidiert, wenn er bei Bearbeitungstemperaturen ab oder höher als 300 Grad Celsius mit Luft in Kontakt kommt. In der Folge verändern sich die Materialeigenschaften. Die Bauteile werden spröde und können Risse bekommen. Wenn zum Beispiel ein Roboter ein Titanwerkstück mittels Laser additiv fertigen soll, muss zunächst eine große Kammer um Roboter und Bauteil gebaut werden. Diese Kammer wird dann entweder mit einem reaktionsarmen Edelgas wie Helium oder Argon geflutet oder es muss ein Vakuum erzeugt werden, bevor die Fertigung beginnen kann. 

„Diese Form der globalen Prozessabschirmung mag für kleine Bauteilgrößen geeignet sein, stellt einen jedoch bei der Fertigung von Großbauteilen hinsichtlich der Prozesssteuerung und Zugänglichkeit vor erhebliche Schwierigkeiten“, erklärt Jakob Schneider, der am Fraunhofer IWS zum Thema Additive Fertigung forscht. „Hinzu kommt, dass die Kosten für solch eine Kammer überproportional mit der Größe des zu schützenden Bauteils steigen, zum Beispiel die Kosten für mehrere Kubikmeter Helium oder Argon, die unter Umständen wegen Zwischenarbeitsschritten auch ab- und wieder zugepumpt werden müssen.“ Ähnliches gelte für Werkstücke aus anderen „widerspenstigen“ Materialien, sogenannte Refraktärmetalle, zum Beispiel Tantal, Niob oder Titan-Aluminium-Verbindungen.

COAXshield schützt Titan-Bauteile
Daher hat das IWS mit COAXshield einen alternativen Schutzschirm entwickelt, der das Schutzgas nur dorthin leitet, wo es wirklich gebraucht wird: direkt um die Bearbeitungszone des Laserstrahls herum, der das Metallpulver aufschmilzt und auf das Bauteil schichtweise aufträgt. Dabei handelt es sich um einen Düsenkopf, der unter gängige Bearbeitungsoptiken montiert werden kann. Er ummantelt die Pulverdüse und bildet einen Schutzgaskegel koaxial um die Prozesszone herum. Dieser Kegel schützt somit lediglich die heiße Bearbeitungszone, denn nur dort können Titan und Umgebungsluft miteinander reagieren.

„Durch diese Lösung spart der Anwender viel Aufwand und Kosten“, betont Jakob Schneider. „Zudem lassen sich so auch sehr große Titanbauteile additiv fertigen oder herstellen.“ Ein Beispiel: Für das Röntgen-Weltraumteleskop ATHENA benötigt die Europäische Weltraumorganisation ESA eine Satelliten-Trägerstruktur aus Titan mit einem Durchmesser von mehreren Metern. Dafür entwickelt das IWS in Kooperation mit ihr einen Prozess und die dazugehörige Systemtechnik für die additive Fertigung. Vor diesem Hintergrund wurde die COAXshield entwickelt. Anfang 2020 soll diese Technik marktreif sein.

LIsec durchleuchtet den Pulverstrom
Während bei konventionell genutzten abtragenden Verfahren wie dem Fräsen das Einmessen der Werkzeuge dem Stand der Technik entspricht, stellt dies beim Laser-Pulver-Auftragschweißen noch eine große Herausforderung dar. Zur Lösung dieses Problems und um die Grenzen des technisch Machbaren zu verschieben, wurde am IWS das Messgerät LIsec entwickelt. Das Kürzel steht für „Light Section“ (deutsch: Lichtschnitt) und verrät bereits das Prinzip: Ein Messlaser durchleuchtet den Pulverstrom nach Austritt aus der Düse. Im rechten Winkel dazu ist eine Kamera montiert, die Lichtschnitte durch das Pulver aufnimmt und an eine Analyse-Software weiterleitet. „Daraus lässt sich hochpräzise die dreidimensionale Verteilung des Pulverstroms berechnen“, erklärt IWS-Ingenieur Rico Hemschik. „Dies erlaubt eine deutlich vereinfachte Qualitätskontrolle und ermöglicht Rückschlüsse auf den Grad des Verschleißes der Pulverdüse.“

Nutzen lässt sich dies beispielsweise, um beschädigte oder verschlissene Turbinenschaufeln von Flugzeugen in höherer Qualität und zuverlässiger als bisher zu reparieren. „Insofern kann unser Messgerät zu mehr Sicherheit und geringeren Wartungskosten in der Luftfahrt beitragen“, sagt der IWS-Ingenieur. Das Dresdner Institut erarbeitet bereits den Transfer der Technologie mit mehreren namhaften internationalen Unternehmen und Forschungsinstituten.