Verkürzte Produktionszeit, optimale Schweißnähte

Immer häufiger werden für die Herstellung komplexer Bauteile mit hohem Automatisierungsgrad additive Fertigungsverfahren eingesetzt. Dank exakter Laserstrahlführung ermöglichen sie einen schichtweisen, flexiblen Aufbau, z.B. von binomischen Strukturen. Hybride Verfahren kombinieren konventionell gefertigte mit filigranen, additiv hergestellten Strukturen erzeugt durch Laserschweißen. Eingesetzt wird diese Art der Fertigung z.B. am ifw Jena. Um homogene Schweißnähte zu erzeugen, wurden hier in enger Zusammenarbeit mit asphericon BeamTuning-Produkte zur Optimierung der Strahlformung im Fokus eingesetzt.

Projektdetails

Additive Fertigungsverfahren gehören zu den immer beliebteren Fertigungsmethoden für komplexe Bauteile mit hohem Automatisierungsgrad. Innovative additive Verfahren, wie pulverbettbasiertes Schmelzen, ermöglichen dank präziser Laserstrahlführung flexible und exakte, schichtweise Strukturen, zum Beispiel für Kühlkanäle oder binomische Strukturen. Lediglich der Faktor Zeit kann ein limitierender Parameter sein, zumal die Kosten mit längeren Fertigungszeiten steigen. Um Zeit und Kosten deutlich zu reduzieren, wird kontinuierlich nach neuen Optimierungsmethoden gesucht. Ein neuer Ansatz ist die vom Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung (ifw) in Jena erprobte hybride Fertigung. Bei diesem Verfahren werden weniger komplexe und konventionell gefertigte Strukturen mit komplizierten, additiv gefertigten Strukturen mittels Laserstrahlschweißen kombiniert. Um homogene Schweißnähte mit hoher Qualität zu erzeugen, mussten zunächst jedoch Prozessparameter, wie z.B. die Strahlformung im Fokusbereich, optimiert werden.

Projektrealisierung

In enger Zusammenarbeit mit asphericon integrierte das ifw verschiedene BeamTuning-Lösungen (a|BeamExpander, a|AiryShape) in die bestehende Anlagentechnik. Dies führte zu einer Verbesserung der Prozessstabilität und Reduzierung von Spritzerbildung.

Abb.1: Schematischer Aufbau des optimierten Strahlengangs mit a|AiryShape und a|BeamExpander

Im Aufbau ermöglicht der a|BeamExpander zunächst die Aufweitung von Laserstrahlen, während der Strahlformer a|AiryShape in Kombination mit einer Fokussierlinse die kollimierten Gaußstrahlen in verschiedene fokussierte Profile (z.B. Top-Hat, Donut) umwandelt. Durch das hierdurch verbesserte Ausgasungsverhalten kann eine porenfreie und gasdichte Schweißnaht erzeugt werden. Das sichere Aufschmelzen der Nahtflanke führt zur Vermeidung von Rand- und Wurzelkerben und damit zu einem hochwertigen Schweißnahtergebnis.

Prozess Ergebnisse

Durchstrahlungsprüfung der Schweißnaht:

Abb. 2: Naht geschweißt durch Gaußprofil mit Poren (oben), porenfreies Top-Hat-Profil (unten)

Nahtquerschnitt eines LPBF-geschweißten Bauteils:

Abb. 3: Geschweißt mit Gaußstrahl (links), Top-Hat (Mitte) und Donut (rechts). Die Erhöhung der Prozessstabilität führte zu einer homogenen Schweißnahtwulst und -aufweitung.

Optiken für ifw auf einen Blick:

Integration von a|BeamExpander und a|AiryShape (Erzeugung verschiedener fokussierter Profile, z.B. Top-Hat, Donut) in bestehende Systemtechnik
Verbesserung der Prozessstabilität sowie des Ausgasungsverhaltens zur Erzeugung hochwertiger, porenfreier und gasdichter Schweißnähte (ohne Rand-/Wurzelkerben)
Reduzierung von Spritzern und der Produktionszeit

Mehr über das Prinzip unseres Strahlformers a|AiryShape erfahren Sie unter: asphericon.com/produkte/beamtuning/strahlformung