Prozess- und Systemtechnik zur Hybrid-Fertigung großer Bauteile mit dem Laser-Material-Deposition-Verfahren

Die additive Fertigung ermöglicht disruptive Innovationen bei der Herstellung neuartiger Produkte, den flexiblen Einsatz maßgeschneiderter Materialien und verspricht drastische Fortschritte in Bezug auf die Ressourceneffizienz. Zentrale Vorteile der additiven Fertigung, wie etwa die Verkürzung des Time-to-Market oder die einfache Produktindividualisierung, können bislang jedoch fast ausschließlich bei hochwertigen, vergleichsweise kleinen Bauteilen und Produktionsvolumina bis zur Klein- bzw. Mittelserienfertigung rentabel genutzt werden. Die Vorteile müssen bisher häufig gegen teure Rohmaterialien, Prozesse und Systemtechnik abgewogen werden. Die flexible Verbindung konventioneller Fertigungsketten mit additiven Prozessen bietet signifikante Synergiepotentiale und wird als hybrid-additive Fertigung bezeichnet. Ein geeigneter Prozess für diesen Ansatz ist das Laserauftragschweißen, auch Laser Material Deposition (LMD) genannt. Hohe Materialeffizienz, nur durch die Maschinenachsen beschränkte Arbeitsräume und die Möglichkeit mit großen Auftragraten auf Freiformflächen zu arbeiten machen den Prozess ideal für die Industrialisierung der hybrid-additiven Fertigung. Ziel des ProLMD-Projektes war die Entwicklung einer ökonomischen Prozesskette mit roboterbasierter Systemtechnik, geeigneten Prozessen und Automatisierungslösungen. Demonstratorkomponenten aus dem Konsortium decken dabei ein breites Spektrum von Werkzeugbau über Strukturkomponenten in der Luftfahrt bis zu Triebwerkskomponenten ab. Für empfindliche Materialien wurden verschiedene Schutzgaskonzepte entworfen, umgesetzt und erprobt. Innovative Bearbeitungsoptiken für Pulver- und drahtbasierte Prozesse sowie ein angepasstes Software-System für die benutzerfreundliche Programmierung und adaptive Prozessführung wurden implementiert. Geeignete LMD-Prozesse wurden für verschiedene Materialien in den Demonstrationsanwendungen entwickelt. Dabei wurden unter anderem Rohmaterialanalysen, metallographische Evaluation sowie mechanische Charakterisierungen durchgeführt. Konzepte für eine neuartige Prozessführung mit Parameteranpassung basierend auf maschinenintegrierter Messtechnik wurden evaluiert und demonstriert. Dieser Bericht fasst die zentralen Ergebnisse aller Projektpartner zusammen und zeigt das Potential für eine innovative Hybrid-additive Prozesskette für eine große Bandbreite an Anwendungen. Die Machbarkeit und Skalierbarkeit der entwickelten Prozesskette wurde für mehrere Materialien und Anwendungen auf insgesamt drei Robotersystemen verschiedener Größe und Kosten demonstriert.

Additive manufacturing enables disruptive innovations in the production of novel products, the flexible use of customized materials and promises drastic progress in terms of resource efficiency. Central advantages of additive manufacturing, such as the shortening of time-to-market or simple product individualization, can so far be used profitably almost exclusively for high-quality, comparatively small components and production volumes up to small or medium series production. The advantages must often be weighed against expensive raw materials, processes and system technology. The combination of conventional process chains and additive processes bears significant potential for synergies in production processes and is referred to as Hybrid Additive Manufacturing, short Hybrid AM. A suitable process for such applications is Laser Material Deposition (LMD). High material efficiency, working envelopes only limited by machine working spaces and the ability to work on freeform surfaces at relatively high build rates make it ideal for the industrialization of Hybrid AM. Goal of the ProLMD project was the development of an economical process chain including robot-based system technology, processes and automation concepts. Demonstrator components in the consortium covered a wide range of applications from tooling over aerospace structures to jet engine components. For sensitive materials, different shielding gas concepts were designed, built and evaluated. Innovative processing head concepts were designed to accommodate both powder- and wire-based processes and a tailored software solution for user-friendly machine programming and adaptive processing were implemented. Suitable LMD processes were developed and evaluated for different materials in the demonstrator applications, including raw material analysis as well as metallographic and mechanical evaluation. Concepts for a novel adaptive process control method based on machine-integrated sensorics were evaluated and demonstrated. This report summarizes core results from all project partners and outlines the potential for a novel innovative Hybrid AM process chain which is applicable to a wide range of industries. Feasibility and scalability of the process chain is demonstrated for multiple materials and applications on a total of three robotic systems of different sizes and costs.