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Dr. Frank Silze: Aktuelle Entwicklungen im Bereich des drahtbasierten Laser-Auftragschweißens – Wertschöpfung durch „Additive Repair“. 14. Tagung Verschleiss- und Korrosionsschutz von Bauteilen durch Auftragschweissen.
Kurzzusammenfassung:
Die schweißtechnische Instandhaltung und der Verschleißschutz von Maschinenkomponenten, insbesondere von Großbauteilen, weist industrieübergreifend viele Hürden auf. Dies führt dazu das einst kostspielige Bauteile verworfen und durch ein Neuteil ersetzt werden müssen. Neben der teils limitierten Schweißbarkeit der zum Einsatz kommenden Werkstoffe und dem hohen Energieeintrag bekannter Reparatur- und Beschichtungsverfahren (z.B. lichtbogenbasierte Verfahren), sind eine geregelte Wärmeführung sowie teils erforderliche Wärmebehandlungen bei großen und endkonturnahen Bauteilen häufig nicht umsetzbar.
In den vergangenen Jahren hat sich das Laser-Auftragschweißen (englischer Begriff: Laser Metal Deposition – LMD) innerhalb der Gruppe der thermischen Oberflächenbehandlungsmethoden von einer Nischen- hin zu einer industriell unverzichtbaren Beschichtungstechnologie entwickelt. Heute stellt es eines der leistungsstärksten und vielseitigsten Methoden zur Beschichtung sowie der Reparatur von metallischen Bauteilen in der Industrie dar. Das Laser-Auftragschweißen unter Verwendung von Drahthalbzeugen gewinnt in der Industrie aufgrund seiner materialspezifischen Vorteile, auch mit Hinblick auf sauerstoffaffine Werkstoffe, zunehmend an Bedeutung. Die Erfahrungen mit klassischen sowie kostengünstigen „Schweißdrähten“ und die daraus resultierende, exzellente Verfügbarkeit von qualitativen Ausgangsprodukten für den LMD-Prozess fördern eine breite Technologieakzeptanz. Die einfache Handhabung der Drähte (Lagerung, Gesundheitsschutz) und vorhandene Materialzertifikate zahlreicher Drahtlegierungen sind weitere Vorteile, die bei der Fertigung mittels Draht-LMD-Prozess einfließen.
Beim Arbeiten mit Draht wird eine umfassende Prozessüberwachung und -regelung (Abschmelzverhalten, Drahtvorschub) zur permanenten Einhaltung des Prozessfensters und für ein präzises und hochqualitatives Auftragschweißen benötigt. Im Vortrag sollen verschiedene Lösungen auf dem Weg zum geregelten und automatisierten Drahtprozess vorgestellt und Beispiele aus der Reparatur von, beispielsweise, Großbauteilen oder Werkzeugen erläutert werden.
Dr.-Ing. Tobias Gustmann, Georg Trensch, Christoph Gajda, Dr.-Ing. Frank Silze, Sebastian Bibrack, Prof. Steffen Keitel: Vorwärmungsfreies Reparaturschweißen an hochfesten Gusseisenwerkstoffen mittels Laserstrahl-Drahtauftragsschweißen. DVS Congress 2024
Kurzzusammenfassung:
Gusseisenwerkstoffe bilden gemeinsam mit den Walzstahlprodukten die Gruppe der Eisenbasislegierungen innerhalb der metallischen Materialien. Im Gegensatz zu den meisten Stählen gelten fast alle Gusseisenwerkstoffe als schweißtechnisch problematisch. Trotzdem müssen im Zuge von Reparatur- oder Fertigungsschweißungen die metallurgischen und mechanisch-technologischen Hindernisse der Gusseisenschweißung überwunden werden. Vor allem artfremde Verbindungen und die dazugehörigen Schweißabfolgen unter niedrigen Vorwärmtemperaturen sind im industriellen Umfeld etabliert. Oftmals erscheint diese Reparaturvariante für viele Bauteile als alternativlos, da artgleiche oder -ähnliche Fügeverbindungen bei deutlich höheren Arbeitstemperaturen ablaufen müssen und sich daher als weniger praktikabel für viele Anwender erweisen. In der aktuellen Praxis des Gussschweißens gelten Laserstrahl-Technologien als wertvolles Werkzeug, da eine negative thermische Beeinflussung des empfindlichen Grundwerkstoffes durch einen präzisen Energieeintrag auf ein Minimum reduziert werden kann. Gleichzeitig ergeben sich mit den Möglichkeiten der modernen strahlbasierten Kalt- und Heißdrahtverfahren neue Fertigungsansätze, wie zum Beispiel die formgenaue Aufarbeitung von Strukturen an Gusseisenbauteilen. So hat sich das Laserstrahlschweißen und -auftragschweißen in den letzten Jahren zu einer Schlüsseltechnologie unter den Fügeverbindungen an Sonderwerkstoffen etabliert.
Bislang galt es als schweißtechnisch hoch anspruchsvoll, Gusseisenwerkstoffe schmelzschweißmetallurgisch bei niedrigen Vorwärm- und Arbeitstemperaturen zu fügen. Im vorliegenden Beitrag wurde daher das Laserstrahl-Drahtauftragschweißen (DED-LBw) als Alternative zu Lichtbogenverfahren genutzt und werkstoffspezifische Untersuchungen durchgeführt. Ein wichtiger Bestandteil der Arbeiten stellte die Parameter- und Prozessentwicklung dar. Dabei sollte die Anwendbarkeit diverser Drahtzusatzstoffe, wie zum Beispiel hochfeste Eisenbasiswerkstoffe, austenitische Chrom-Nickel-Stähle und Kupfer-Silizium-Legierungen, betrachtet und nachgewiesen werden.
Mit der DED-LBw-Technologie ist es möglich, Gusseisenwerkstoffe und -komponenten hocheffizient instandzusetzen oder aufzuarbeiten. Gerade die Möglichkeit durch Bruch verloren gegangene Funktionsflächen oder Volumenbereiche generativ wieder herzustellen zu können, steigert die Chancen einer erneuten Bauteilnutzung erheblich und trägt zu einem zukunftsweisenden Umgang mit Ressourcen bei.
Dr. Tobias Gustmann, Dr. Frank Silze, Sebastian Bibrack, Dr. Michael Schnick: Wire-based Laser Metal Deposition of Nickel and Iron-based alloys for Repair of Gas Turbine Housings using a Direct Diode Laser System. Lasers in Manufacturing (LiM) (2023)
The laser wire deposition process is increasingly gaining application in industry due to its process-specific advantages. In addition to the wide availability due to the already long-standing use of the wires in the classic welding processes and the relatively simple handling (storage, health protection), above all the existing certifications of numerous wire alloys are positive arguments for the application in the industrial environment.
Compared to the already more established powder process, however, the wire process requires more comprehensive process control. There is a small process window, which must be kept stable by control mechanisms. In the lecture, various solutions on the way to a controlled and automated wire process will be presented and examples from the repair of large components in opencast mining will be explained, which offer an interesting solution approach from the point of view of sustainability.
Dr. Frank Silze, Sebastian Bibrack, Oliver Preuße: Regenerieren mit Laser und Draht – ressourcenschonend und innovativ. 10. Mitteldeutsches Forum || 3D-Druck in der Anwendung (2023)
Themenschwerpunkt: Energie und Nachhaltigkeit
Der Laser- Draht- Auftragschweißprozess gewinnt aufgrund seiner prozessspezifischen Vorteile zunehmend Anwendung in der Industrie. Neben der breit aufgestellten Verfügbarkeit aufgrund der bereits langjährigen Nutzung der Drähte in den klassischen Schweißprozessen und der verhältnismäßig einfachen Handhabung (Lagerung, Gesundheitsschutz) sind vor allem die vorhandenen Zertifizierungen zahlreicher Drahtlegierungen positive Argumente für die Anwendung im industriellen Umfeld.
Gegenüber dem schon stärker etablierten Pulverprozess wird beim Drahtprozess jedoch eine umfassendere Prozessregelung benötigt. Ursache dafür ist der Draht selbst. Dieser muss immer zu 100% aufgeschmolzen werden und auch dauerhaft Kontakt zum Bauteil haben. Es ergibt sich ein kleines Prozessfenster, welches durch Steuer- und Regelmechanismen stabil gehalten werden muss. Im Vortrag werden verschiedene Lösungen auf dem Weg zum geregelten und automatisierten Drahtprozess vorgestellt und Beispiele aus der Reparatur von Großbauteilen im Tagebau erläutert, welche aus Sicht der Nachhaltigkeit einen interessanten Lösungsansatz bieten.
Dr. Tobias Gustmann, Dr. Frank Silze, Sebastian Bibrack, Dr. Michael Schnick: Additive Fertigung mit Laser und Draht – ressourcenschonend und innovativ. Additiv im Südwesten – Das Netzwerk für Additive Fertigung im Südwesten – Webinarreihe (2023)
Anwendungsfall: Großbauteile und Instandhaltung
Die schweißtechnische Instandhaltung von Komponenten, insbesondere von Großbauteilen, weist industrieübergreifend viele Hürden auf. Dies führt dazu das einst kostspielige Bauteile verworfen und durch ein Neuteil ersetzt werden müssen. Neben der limitierten Schweißbarkeit der zum Einsatz kommenden Stähle und dem hohen Energieeintrag bekannter Reparatur- und Beschichtungsverfahren (z.B. lichtbogenbasierte Verfahren), sind eine geregelte Wärmeführung sowie teils erforderliche Wärmebehandlungen bei großen und endkonturnahen Bauteilen häufig
nicht umsetzbar. Hinzu kommt der erschwerte Personalaufwand in der heutigen Zeit, welcher sich durch das erforderliche Knowhow bezogen auf Material und Prozess sowie die Bearbeitungszeit widerspiegelt.
In den vergangenen Jahren hat sich das Laser-Auftragschweißen (englischer Begriff: Laser Metal Deposition – LMD) innerhalb der Gruppe der thermischen Oberflächenbehandlungsmethoden von einer Nischen- hin zu einer industriell unverzichtbaren Beschichtungstechnologie entwickelt. Heute stellt es eines der leistungsstärksten und vielseitigsten Methoden zur Beschichtung sowie der Reparatur von metallischen Bauteilen in der Industrie dar. Darüber hinaus ermöglicht der LMD-
Prozess die schichtweise Herstellung von Zusatzkomponenten auf bereits vorhandenen Bauteilen oder die alleinige Fertigung von 3D-Strukturen. Aus diesem Grund ergeben sich weitere Anwendungspotenziale mit Bezug zur additiven Fertigung.
Das Laser-Auftragschweißen unter Verwendung von Drahthalbzeugen gewinnt in der Industrie aufgrund seiner materialspezifischen Vorteile, auch mit Hinblick auf sauerstoffaffine Werkstoffe, zunehmend an Bedeutung. Die Erfahrungen mit klassischen sowie kostengünstigen „Schweißdrähten“ und die daraus resultierende, exzellente Verfügbarkeit von qualitativen Ausgangsprodukten für den LMD-Prozess fördern eine breite Technologieakzeptanz. Die einfache Handhabung der Drähte (Lagerung, Gesundheitsschutz) und vorhandene Materialzertifikate zahlreicher Drahtlegierungen sind weitere Vorteile, die bei der Fertigung mittels Draht-LMD-Prozess
einfließen. Beim Arbeiten mit Draht wird eine umfassende Prozessüberwachung und -regelung (Abschmelzverhalten, Kontakt, Drahtvorschub) zur permanenten Einhaltung des Prozessfensters benötigt. Hier bestehen also nicht zu unterschätzende Herausforderungen, welche im Vergleich mit dem schon stärker etablierten und relativ einfach zu beherrschenden Pulverprozess berücksichtigt werden müssen.
Im Vortrag sollen verschiedene Lösungen auf dem Weg zum geregelten und automatisierten Drahtprozess vorgestellt und Beispiele aus der (additiven) Reparatur von, beispielsweise, Großbauteilen erläutert werden. Durch die gewonnenen Erkenntnisse konnten bestehende Produkte und die dahinterstehenden Werkstoffe bereits heute in der Kreislaufwirtschaft gehalten und enorme Ressourcenaufwendungen (Neuteilbeschaffung, Lager- und Transportkosten) eingespart sowie drohende Stillstandzeiten minimiert werden.
Sebastian Bibrack, Frank Silze, Tobias Gustmann, Michael Schnick: Präzise Schicht für Schicht: Prozess, Regelung und Anwendungen von koaxialem Laser-DED mit Draht. LEF Brick (2023)
Der Laser DED-Prozess mit Draht gewinnt aufgrund seiner prozessspezifischen Vorteile zunehmend Anwendung in der Industrie. Gegenüber dem schon stärker etablierten Pulverprozess wird beim Drahtprozess jedoch eine umfassendere Prozessregelung benötigt. Ursache dafür ist der Draht selbst. Dieser muss immer zu 100% aufgeschmolzen werden und auch dauerhaft Kontakt zum Bauteil haben. Es ergibt sich ein kleines Prozessfenster, welches durch Steuer- und Regelmechanismen stabil gehalten werden muss.
Das Ziel ist dabei, ähnlich zum autonomen Fahren im Straßenverkehr den Bediener zunehmend zum Passagier werden zu lassen. Ideen und Lösungen auf dem Weg dahin, wie die Regelung des Arbeitsabstandes, die Überwachung des Bauteilkontakts oder die gezielte Steuerung des Wärmeeintrags, werden vorgestellt und diskutiert. Anwendungen aus dem Bereich Reparatur von Großbauteilen zeigen eindrucksvoll, welches Potenzial dieses Verfahren aufweist, insbesondere unter den aktuell sehr relevanten Gesichtspunkten Nachhaltigkeit, Ressourcen- Management und Verzögerung von Lieferketten.
Dr. Frank Silze, Sebastian Bibrack, Oliver Preuße: Regenerieren mit Laser-Draht-Auftragschweißen – Prozesstechnische Grundlagen und Anwendungsbeispiele. DVS Verschleiß und Korrosion 2022
Die schweißtechnische Regenerierung, insbesondere von Großbauteilen, weist viele Hürden auf, die die Reparatur erschweren und überwiegend dazu führen, dass das Bauteil nicht regeneriert, sondern durch ein Neuteil ersetzt wird. Neben der schweren Schweißbarkeit der meisten Werkzeugstähle sind auch eine geregelte Wärmeführung sowie evtl. erforderliche Wärmebehandlungen bei großen Bauteilen häufig nicht umsetzbar. Hinzu kommt der Personalaufwand, welcher sich durch das erforderliche Knowhow und die Bearbeitungszeit widerspiegelt.
Die Neuteilbeschaffungszeiten hängen von der Größe und der Art des zu beschaffenden Bauteils ab. Es gilt, je größer und komplexer, desto länger dauert die Fertigung. Wiederbeschaffungszeiten können bis zu einem Jahr betragen. Da solche Stillstandzeiten bei größeren Industrieanlagen nicht tolerierbar sind, werden in großer Anzahl Ersatzteile auf Vorrat gehalten, um schnell reagieren zu können. Dieses Ersatzteillager verursacht jedoch eine hohe Kapitalbindung. Die Aufgabe besteht also darin, einen Reparaturprozess zu entwickeln, der sowohl die werkstoff- und schweißtechnischen Hindernisse überwindet und gleichzeitig den Personalaufwand durch Prozessüberwachung und -regelung minimiert.
Dr. Frank Silze, Sebastian Bibrack, Dr. Michael Schnick: LMD-Draht-Prozess mit kontrollierter Prozessführung. Rapid.Tech Fachkongress (2022)
Der LMD-Prozess mit Draht gewinnt aufgrund seiner prozessspezifischen Vorteile zunehmend Anwendung in der Industrie. Gegenüber dem schon stärker etablierten Pulverprozess wird beim Drahtprozess jedoch eine umfassendere Prozessregelung benötigt. Ursache dafür ist der Draht selbst. Dieser muss immer zu 100% aufgeschmolzen werden und auch dauerhaft Kontakt zum Bauteil haben. Es ergibt sich ein kleines Prozessfenster, welches durch Steuer- und Regelmechanismen stabil gehalten werden muss.
Das Ziel ist dabei, ähnlich zum autonomen Fahren im Straßenverkehr den Bediener zunehmend zum Passagier werden zu lassen. Ideen und Lösungen auf dem Weg dahin, wie die Regelung des Arbeitsabstandes, die Überwachung des Bauteilkontakts oder die gezielte Steuerung des Wärmeeintrags, werden vorgestellt und diskutiert.
Dr.-Ing. Michael Schnick: DED-LB mit Draht – Lösungsansatz zum Herstellen, Funktionalisieren und Reparieren von Großbauteilen. INDUSTRIEKOLLOQUIUM „METALLBASIERTE ADDITIVE FERTIGUNG“ ISF (2021)
Dr. Frank Silze and Dipl.-Ing (FH) Sebastian Bibrack: DED-LB Applications of DED-LB with wire in repair, functionalisation and additive manufacturing. 74th IIW Annual Assembly and International Conference (2021)
F. Silze, S. Bibrack: „Laserauftragschweißen mit Draht – Herausforderungen und Lösungsansätze in der Anwendung“. Beitrag im Tagungsband zur 30. Schweißtechnischen Fachtagung in Magdeburg (2021)
Das von OSCAR PLT entwickelte Lasersystem ProFocus (siehe Abb. 1) verfügt über viele Alleinstellungsmerkmale, die dieses System sehr flexibel und prozesssicher machen. So ist durch die kompakte und modulare Bauform sowie einer flexiblen Feldbusschnittstelle die Integration in beliebige Handlingsysteme einfach umsetzbar. Basierend auf 6 einzeln ansteuerbaren und koaxial angeordneten Laserstrahlen, welche im Prozesskopf erzeugt werden, ist eine axiale Draht- oder Pulverzufuhr möglich, die den Vorteil der Richtungsunabhängigkeit bietet. Die einzeln regulierbaren Laserspots ermöglichen zudem eine einzigartige Variabilität im Energieeintrag, wodurch die Streckenenergie auf ein Minimum reduziert und somit Abkühlpausen im Bauprozess vermieden werden können.
B. Elsner, F. Silze, A. Marquardt: „IMProVing directed energy deposition“, PhotonicsViews (4/2021)
Directed energy deposition (DED) is a powerful additive manufacturing tech nique that combines a high degree of freedom in design with relatively high deposition rates that can increase throughput. DED structures are created by repeatedly depositing weid beads from powder or wire feedstock, which also makes it an attractive technique for hybrid manufacturing because features can be added to a base component. However, the numerous heating and cooling cycles involved in the deposition process result in a complex thermal history that can entail distort the entire component.
F.Silze, M. Schnick, I. Sizova, M. Bambach: „Laser Metal Deposition of Ti-6Al-4V with a Direct Diode Laser Set-up and Coaxial Material feed“, Procedia Manufacturing, (2020)
The production of components from the titanium alloy Ti-6Al-4V is of great importance for many industrial fields, especially for the aerospace industry. Laser metal deposition (LMD) processes can be used either for manufacturing of components or repair. The majority of LMD set-ups use a concentrical laser and a powder feed through nozzles focusing the powder on a spot. Gas shielding is problematic in such set-ups, which hence require the use of protective gas chambers. The present paper details results on laser metal deposition (LMD) of Ti-6Al-4V with a new direct diode laser head. In the LMD set-up, six 200W laser diodes are positioned on a circle around the feeding lance and create a laser spot with a diameter of ~0.9 mm. The laser beam is thus directly generated inside the head. The set-up allows for co-axial feed of powder or wire material. Due to the arrangement of the single laser beams and the coaxial filler material feeding, a direction independent welding process is possible. The Ti-6Al-4V specimens deposited with the LMD head show a clean surface and a dense microstructure. The results indicate that the new diode laser head allows for a direction-independent LMD process with low oxygen take-up.
Markus Bambach, Irina Sizova, Frank Silze, Michael Schnick: Hot workability and microstructure evolution of the nickel-based superalloy Inconel 718 produced by laser metal deposition. Journal of Alloys and Compounds 740 (2018) 278-287
The manufacturing of parts from nickel-based superalloys used to be dominated by conventional processes such as forging, which use expensive dies and require cost-intensive machining operations to produce the final part shape, due to the limited ability of the forging process to produce near-net shape parts. The ongoing efforts in developing additive manufacturing (AM) processes could promote an increasing competition of AM with traditional processes. AM offers various benefits such as near neat shaping, integration of functions into parts and the possibility to locally engineer components. However, manufacturing costs and process time in additive manufacturing rise rapidly with part size. For many applications, the disadvantages of AM and forging operations could be levered by mating both processes to new process chains. Adapted pre-forms for forging operations could be created by printing onto existing stock material, thus allowing to reduce the number of forging steps and to avoid high material waste. However, up to the present day, only very limited knowledge is available on the forming behavior of additively manufactured materials.
In this paper, the hot deformation behavior and the associated microstructural changes of samples made from the nickel-based superalloy Inconel® 718 using laser metal deposition (LMD) have been studied using isothermal hot-compression tests. The as-built state is shown not to be suitable for hot working due to the presence of the Laves phase, which has to be removed by heat treatment. Wrought samples and heat-treated LMD samples are compared with respect to their hot working behavior. Pronounced shifts of characteristic points of the flow curves between both types of material are observed. The results show that heat-treated LMD samples are well hot workable, preferentially at higher values of the Zener-Hollomon parameter where incipient yield and initial work hardening occur at lower stress levels.
