Steigerung der Energieeffizienz bei der additiven Fertigung von Mikrobauteilen durch Einsatz eines heißdrahtbasierten Laserauftragschweißverfahrens, Teilvorhaben: Konstruktion und Fertigung des koaxialen Laserauftragschweißkopfes und Laserprozessentwicklung

Description: Metallische Bauteile mit Strukturauflösungen von weniger als einem Millimeter werden in der Additi­ven Fertigung überwiegend mit pulverbasierten Verfahren hergestellt. Von den während der Bauteilgenerierung zugeführten Pulverpartikeln wird nur ein vergleichsweise geringer Anteil Teil der Bauteilgeometrie. Die erforderliche Energie für das Pulverwiederaufbereiten sowie der Umstand, dass trotz Wiederaufbereitung nicht alle über­schüssigen Pulverpartikel erneut verwendet werden können, sind bei pulverbasierten generativen Fer­tigungsverfahren zwei unvermeidliche Faktoren, die zusammen mit dem hohen Schutzgasbedarf deren Energieeffizienz und Ressourcenschonung limitieren. Hier knüpft das Vorhaben an und zielt auf die Entwicklung ei­nes energieeffizienten Verfahrens zum Laserauftragschweißen mit metallischen Drähten im Durchmes­serbereich von 100 µm ab. Dabei soll der Draht senkrecht zur Substratoberfläche zuge­führt werden und von vier einzeln ansteuerbaren, auf einem koaxialen Ring um die Drahtlängsachse angeordneten Laserstrahlen aufgeschmolzen werden. Zusätzlich wird der Draht in der Prozesszone durch Widerstandserwärmung auf Temperaturen nahe des Schmelzpunktes erwärmt. Zusammen mit einer konsequent auf minimalen Energiebedarf ausgelegten Maschinensteuerung wird es mit diesem Verfahren möglich sein, dünnwandige Mikrobauteile mit einer gegenüber Konkur­renzverfahren um fast 60 % gesteigerten Effizienz zu fertigen. Im Teilvorhaben ist einerseits beabsichtigt, einen Laserbearbeitungskopf zu entwickeln. Dieser umfasst vier einzelne Strahlquellen sowie eine geeignete Strahlführung. Der Bearbeitungskopf verfügt zudem über eine mechanische Schnittstelle zur Aufnahme eines Drahtvorschubs. Anderseits werden in diesem Teilvorhaben Auftragschweißprozesse im Laboraufbau und im Versuchsstand eines Projektpartners unter industriellen Bedin­gungen entwickelt. Der Nachweis der industrienahen Einsetzbarkeit soll anhand der Fertigung anwendungstypischer Demonstratorbauteile erfolgen.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Zusatzstoff ? Energie ? Energiebedarf ? Produktionstechnik ? Energieeffizienz ? Energieeffizienzsteigerung ? Ressourcenschonung ? Schmelzpunkt ?

Region: Niedersachsen

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (Geldgeber*in)
• Laser Zentrum Hannover e.V. (Betreiber*in)
• Umweltbundesamt (Bereitsteller*in)

Time ranges: 2023-01-01 - 2025-12-31

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Subproject: Design and manufacture of the coaxial laser buildup welding head and laser process development
  Description: Metallic components with structural resolutions of less than one millimeter are predominantly produced in additive manufacturing using powder-based processes. Of the powder particles added during component generation, only a comparatively small proportion becomes part of the component geometry. The energy required for powder reprocessing and the fact that not all excess powder particles can be reused despite reprocessing are two unavoidable factors in powder-based additive manufacturing processes, which, together with the high inert gas requirement, limit their energy efficiency and resource conservation. This is where the project picks up and aims to develop an energy-efficient process for laser cladding with metallic wires in the diameter range of 100 µm. The wire is fed perpendicular to the substrate surface and melted by four individually controllable laser beams arranged on a coaxial ring around the wire's longitudinal axis. In addition, the wire is heated in the process zone by resistance heating to temperatures close to the melting point. Together with a machine control system consistently designed for minimum energy consumption, this process will make it possible to manufacture thin-walled microcomponents with almost 60% greater efficiency than competing processes. In the subproject, it is intended on the one hand to develop a laser processing head. This comprises four individual beam sources and a suitable beam guidance system. The processing head also has a mechanical interface to accommodate a wire feed. On the other hand, buildup welding processes will be developed in this subproject in the laboratory setup and in the test rig of a project partner under industrial conditions. Proof of industrial applicability is to be provided by the production of application-typical demonstrator components. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1124073

Status

Aktiv

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