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Maßstabgerechte Titan-Giganten - in: LASER 1-2012 - Provvido

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laseroberflächenbearbeitungMaßstabgerechte »Titan-Giganten«Mit dem generativen Metall-Laserschmelzen wird das Windkanalmodell ALPHA zur Simulation der Möglichkeitenin der Luft- und Raumfahrt realisiert.Europas strategischer Beitrag zur Zukunftder bemannten Raumfahrt istALPHA. Diese Bezeichnung wird stellvertretendverwendet für ein wiederverwertbares Weltraum-Transportsystem.Aufgabe des DLR war es, für aerodynamischeTests ein Modell des AL-PHA zu fertigen. Die Wahl fiel auf einModell aus Titan, hergestellt im Laser-Cusing-Verfahren. Bei den in der »TrisonischenMessstrecke Köln« (TMK)vorgesehenen dynamischen Messungenwird das Windkanalmodell ALPHA zuerzwungenen Schwingungen veranlasst.Dadurch bedingt waren u. a. spezielleAnforderungen an die Auslegung desModells zu stellen:• es muss besonders leicht sein, damitMassenkräfte klein bleiben,• es muss sehr steif sein, damit elastischeVerformungen klein bleiben,• es muss dünnwandig sein, damit genugPlatz für die Messtechnik vorhandenist,• es darf nur aus wenigen Einzelteilenbestehen, um das Gewicht zu reduzieren.Einige Anforderungen wurden erstdurch Anwendung des Laserschmelzensvon Metall mit dem Verfahren Laser-Cusing möglich.LaserCusing alsstrategischer AnsatzLasergeschmolzenes ALPHA-Modellim Maßstab 1:27 vor undnach dem Oberflächenfinish.(Bild: DLR)Für Strömungstests des ALPHA fertigtenJürgen Mengering, LaserCusing-Experte,und Markus Boje, AbteilungsleiterSystemhaus Technik West des DLR,ein skaliertes Titan-Modell mit der LaserCusing-Technikvon Concept Laser.Der Ansatz wurde durch eine komplettgeschlossene Laserschmelzanlage zurVerarbeitung von Titan, ohne Verunreinigungdurch Luft möglich.Das DLR setzt zunehmend auf Metall-Laserschmelzen als kostengünstige undschnelle Technik zur Herstellung vonPrototypen und Modellen. Hohe Geometriefreiheitund zeitnahe Bauteiloptimierungmit Laserschmelzen von Titanlegierungenoder Inconel stellen ausSicht von Markus Boje einen enormenVorteil gegenüber konventionell gefertigtenNickelteilen dar.Für die Konstruktion und den prozessualenAufbau eines generativen Modellsaus Titan kommt für das DLR nur eingeschlossenes Anlagensystem in Frage.Sauerstoffausschluss während des komplettenProzesses und Bauraumgrößewaren die wichtigsten Anforderungendes DLR an den Systempartner. Bei derAuswahl der Fertigungsanlage fiel dieWahl deshalb auf eine »M2 cusing«von Concept Laser in Kombination miteiner freistehenden QM Powder-Siebstation.Der Ausschluss von Sauerstoff,und somit auch die Verunreinigung desTitanpulvers, sind durch die Kombinationder beiden Anlagen vom ersten bis34 Laser 1-2012


laseroberflächenbearbeitungEntwicklungsaufwand des ModellsDLR-Prototypenbau: Jürgen Mengering (links) und Markus Boje mit demALPHA-Modell im LaserCusing-Labor.zum letzten Prozessschritt voll gewährleistet. Als Prozessgassetzt das DLR ausschließlich Argon ein, um die Reinheit zugewährleisten. Vor dem Bauprozess werden sowohl die Handlingstationals auch die Baukammer der M2 cusing-Anlagemit Argon geflutet. Der Sauerstoff wird so sicher verdrängt.Die Handlingstation ist für den Operateur durch Handschuheingriffezur Durchführung des Rüstvorgangs quasi freizugänglich. Anschließend wird die Bauplatte in die Prozesskammergefahren, wo der generative Laserschmelzprozessvollautomatisch stattfindet. Ist der Bauprozess abgeschlossen,wird abgerüstet und das Pulvermaterial mit der QM Powder-Siebanlage gereinigt. Bevor das Pulver gesiebt wird, wird dieSiebstation ebenfalls mit Argon geflutet. Erst dann beginntder Siebprozess unter Sauerstoffausschluss zur Sicherstellungder Pulverqualität.Bevor ein Bauteil im Windkanal »fliegen« darf, muss es alleQualitätsanforderungen bis zu 300 % erfüllen. Da das Metall-Laserschmelzverfahren noch eine relativ junge Technik ist,beschäftigt sich das DLR deshalb vor allem mit den ThemenFestigkeit und thermischer Verzug von lasergeschmolzenenBauteilen, parallel dazu mit der Prozesssicherheit. Aus diesemGrunde wird die M2 cusing Anlage beim DLR in Köln-Porz-Wahnheide als Materialentwicklungsplattform und Arbeitsstationin einem genutzt. »Spannungen im Bauteil lassen sichreduzieren durch Anpassung der Prozessparameter, konstruktiveAnpassungen, Materialoptimierung sowie Wärmebehandlung«,erläutert dazu Jürgen Mengering. Aufgabe vonJürgen Mengering ist es, durch die Variation der genanntenStellschrauben optimale und reproduzierbare Werkstoffeigenschaftenbei lasergeschmolzenen Bauteilen auszuarbeiten.Als Vorbereitungen für den Windkanal werden Zugproben,Streckproben und Schliffbilder angefertigt, die dann überZug- und Streckversuche sowie Untersuchungen mit einemComputertomograph ausgewertet werden. Das ALPHA-Modellist ein Projekt, bei dem eine Porosität von 0,02 % undeine Oberflächenrauigkeit Ra 7-8 nach dem Prozess erzieltwurden. Über einen nachgelagerten Strahlprozess konnte diegeforderte Oberflächenrauigkeit von Ra 1,6 problemlos er-Konzeptfahrzeug ALPHA im ModellAufgabenstellung für den DLR-Prototypenbau war es, einHohlkammer-Modell im Maßstab (1:27) des Raumgleiterszu fertigen, um Strömungstests vorzunehmen. Bislang wares üblich, derartige Modelle aus Nickel mit konventionellenTechniken wie Drehen, Fräsen oder Erodieren herzustellen.Um nahe an den realen Bedingungen für den Raumtransporterzu bleiben, war dasALPHA-Modell jedochals ein Hohlkörpermodellgefragt.Für diese anspruchsvolleGeometrie empfahlsich die generativeLaserCusing-Technikmit Titanpulver, die dasSystemhaus TechnikHohe Präzision für die Titanverarbeitung:Gesamtansicht der »M2 cusing«-Anlagedes DLR.des DLR in Köln-Porz-Wahnheide bereits seitfast 1,5 Jahren voll auslastet.Laser 1-2012


laseroberflächenbearbeitungKomplexe Struktur: Querschnitt des ALPHA-Modellsaus Titan, gefertigt mit LaserCusing (Bilder: DLR).Atmosphäre gezielt nutzen: Die gekapselte Handlingstation ermöglichtJürgen Mengering den Zugang unter Luftausschlussfür die Prozessvorbereitung. Rechts: Siebstation mit Transporteinrichtungfür die Pulveraufbereitung.reicht werden. Einem Flug im Windkanalsteht somit nichts mehr im Wege.Hinsichtlich der Qualitätssicherung ermöglichendie QM-Module, die ConceptLaser anbietet, die Überwachungund Regelung verschiedener Anlagenzuständewie Laserleistung, Atmosphäreund die Sicherstellung der Pulverqualität.Ein weiterer Kernpunkt für die Luftfahrtindustrieist die Überwachungund Auswertung des Bauprozesses.»Den Grundstein für ein prozesssicheresSystem hat Concept Laser mit derEntwicklung der Schmelzpoolüberwachungbereits gelegt«, kommentiertMarkus Boje, der davon überzeugt ist,dass Concept Laser auf dem Gebiet derProzesssicherheit in den nächsten Jahrennoch hervorragende Tools auf denMarkt bringen wird.Nach Auskunft von Markus Boje setztdas DLR strategisch auf das LaserCusing-Verfahren.Besondere Potentialedieser generativen Technik sieht der AbteilungsleiterSystemhaus Technik Westzum einen in der hohen Geschwindigkeitdes Teileaufbaus.Da ein Bauteil, als Daumenwert, nur 5% der Aufwendungen bedeutet, aberder Versuchsaufbau rund 9 % derKostenausmacht,ist es notwendig,sehr schnellhochwertigeBauteilegenerativzu fertigenund zu modifizieren.Die hoheGeschwindigkeitdes Teileaufbausdrückt enorm die Kosten undwirkt sich gleichzeitig positiv auf denEntwicklungsvorsprung aus.Geometriefreiheit plusGeschwindigkeitNach Auffassung von Markus Bojesinken die Kosten nicht etwa linear,sondern sogar exponentiell durch denEinsatz der LaserCusing-Technik. BesondererPluspunkt ist dabei, dass dasLaserCusing-Verfahren einen hohenGrad an Geometriefreiheit bietet.Wie beim ALPHA-Modell können mitdiesem Verfahren Geometrien realisiertwerden, die bisher nicht gebaut werdenkonnten, z. B. individuell ausgelegte,innen liegende Kühlkanäle oder Hohlkörper.Boje schätzt die Entwicklung dieserTechnik in der Luft- und Raumfahrtvor allem bei rotierenden Triebwerkselementenals stark ansteigend ein. Paralleldazu steigen die Anforderungen,sowohl bei Bauraumgrößen, als auchbei hybriden Teilen. Hybridteile könnenzum Beispiel als Stahlteile mit Kupfervereint werden.Das Kupfer dient dabei zur gezieltenWärmeabfuhr. Zur Verbesserungder Oberflächengüte sind beim DLRderzeit verschiedene Verfahren in derErprobung: Beschichten, Elektropolieren,automatisierte Schleifprozesse undStrahlverfahren. Die Zusammenarbeitmit Systempartner Concept Laser istin Bezug auf verfahrenstechnische Unterstützungausgezeichnet und das Potentialder Technik steckt erst in denKinderschuhen, wie Markus Boje essieht: »Wir befinden uns mit LaserCusingnicht nur in einem kontinuierlichenVerbesserungsprozess, sondern letztlichin einem kontinuierlichen Kreativitätsprozess,um den Ideen von morgen inTeilen Gestalt zu geben.«KONTAKTConcept Laser GmbHwww.concept-laser.deDeutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrtwww.dlr.de36 Laser 1-2012

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