DVS Berichte 306 Leseprobe

(b), Gasboxen (c) und geometrisch an die Bauteileangepasste Formen (d). Die Herausforderungenbestehen einerseits in der Auslegung dieser Düsenund zum anderen aber auch in der fertigungsgerechtenGestaltung. Bei konventionellen Fertigungsverfahrenbestehen häufig signifikante Einschränkungen inderen Folge die Gasdüsen aus einer Vielzahl vonEinzelteilen aufzubauen sind.Bild 3: Schleppdüsen für Lichtbogenschweißprozesse [15]5 Laserstrahlschmelzen von GasdüsenDas „Selektive Laserstrahlschmelzen“ (SLM) stellt fürdie Herstellung von Gasdüsen zur Materialbearbeitungein optimales Fertigungsverfahren dar. Dabeiwerden die Düsen nicht wie bisher aus mehrerenEinzelteilen zusammengesetzt, sondern als monolithischesBauteil generiert. Um mit dem SLM-Verfahrenfertigen zu können, müssen die Besonderheiten desVerfahrens bereits während der Konstruktionberücksichtigt werden. Die für den SLM-Prozesstypische Oberflächenrauheit stellt aber in den meistenFällen kein Problem dar. Ausnahmen sind Flächen,die Schnittstellen zu benachbarten Bauteilen bilden,beispielsweise Passflächen in einer Aufnahme. DieseFlächen sind ggf. spanend zu bearbeiten.Oftmals ist es ausreichend, von einer bereitsausgelegten Standardgasdüse auszugehen und diesean die Gegebenheiten (z. B. Bauteilgeometrie)konstruktiv anzupassen, um eine bessere Funktionalitätzu erreichen. Trifft dies zu, bleibt das Wirkprinzipunverändert. Jedoch wird bei dieser Vorgehensweisenicht das volle Potential, beispielsweise einergleichzeitigen Funktionsintegration, der additivenFertigung genutzt. So kann bei mehrteiligen Gasdüsendie Zahl der zu fügenden Teile auf eine einzigeKomponente reduziert werden.Bei Neukonstruktion, d. h. soll eine Gasdüse mitneuen Eigenschaften entstehen, dann sollten dieVorteile des SLM-Verfahrens direkt in die Konstruktioneinfließen. Der schichtweise Aufbau der Teile erlaubteine bisher nie dagewesene gestalterische Freiheit.Die Düsen können mit nahezu beliebigen Innen- undAußenstrukturen gefertigt werden. Damit lassen sichz. B. Gasberuhigungszonen, Gas- und Kühlkanäle imInneren der Düse und Kühlrippen an der Außenseiteerzeugen. Zudem lässt sich die Gasdüse optimal anden späteren Einsatzzweck anpassen. Die Fertigungskostenbleiben auch bei zunehmenderKomplexität nahezu konstant. Die Höhe der Fertigungskostenwird von Stückzahl, Bauprozesslänge,Materialkosten und Nachbearbeitungskostenbestimmt. Um den Fertigungsablauf effektiver zugestalten ist es z. B. möglich, die Bauplattform selbstals Schnittstelle für die Nachbearbeitung zu nutzen.Die Düsen, die sich auf der Bauplattform befinden,haben eine definierte Position zueinander und zurPlattform. Befindet sich die Plattform noch auf einemNullpunktspannsystem sind alle Positionen derEinzeldüsen bekannt. Dies kann gezielt für die CNC-Nachbearbeitung genutzt werden. Das Spannsystemmit der Bauplatte und den Gasdüsen wird an dienachfolgende Fertigungsstufe übergeben, in dieWerkzeugmaschine (z. B. Fräs- oder Erodiermaschine)eingesetzt und nachbearbeitet. Die Bauplattformdient bei dieser Anordnung als Halter zwischenSpannsystem und den Gasdüsen. Je nach Anordnungder Gasdüsen kann der Hauptteil der Nachbearbeitungauf der Bauplattform stattfinden. Fertigungstoleranzen,die durch ein erneutes Einspannen bei derEinzelnachbearbeitung entstehen, können auf dieseWeise vermieden werden. In einem letzten Arbeitsschrittwerden die Gasdüsen z. B. mittels Drahterodierenvon der Bauplattform getrennt. In Einzelfällenkönnen noch weitere Nachbearbeitungsschritte derEinzeldüsen notwendig sein.Der Werkstoff für Gasdüsen ist von dem SLM-Prozessund den Umgebungs- bzw. Einsatzbedingungen derDüse abhängig. Der SLM-Prozess erfordert einenWerkstoff mit einer guten Schweißeignung und einemguten Absorptionsgrad der Laserstrahlung. Düsenkönnen z. B. aus dem hochlegierten Cr-Ni-Stahl1.4404 (X2CrNiMo17-12-2), aber auch aus denWerkzeugstählen 1.2709 (X3NiCoMoTi18-9-5) und1.2344 (X40CrMoV5-1) sowie Titan (Ti-Al6-V4) undAluminium (AlMg10Si) generiert werden. Denkbarsind weiterhin Nickelbasislegierungen für hochtemperaturbelasteteGasdüsen.Am ifw entstand eine Reihe von Gasdüsen, die inzahlreichen Projekten mit Bezug zur Lasermaterialbearbeitungerfolgreich eingesetzt wurden und werden.Beispiele werden im Folgenden, auch hinsichtlichihrer Konstruktion, beschrieben. Des Weiteren werdenin [16] auch laserstrahlgeschmolzene Schweißdüsenvorgestellt.5.1 Bohr- und SchneiddüsenBeim Schmelzschneiden ist es notwendig, denGasstrahl so auf die Schmelze zu richten, dass dieseeffektiv aus der Trennstelle heraus gefördert wird.Daneben sind oftmals weitere Randbedingungen zubeachten wie beispielsweise die geometrischeZugänglichkeit oder die Kühlung der Düse aufgrundeiner hohen thermischen Belastung.6 DVS 306