WERKWANDEL 01/2024
WERKWANDEL 01/2024 Wissenschaft direkt Maschine für das Laser-Pulver-Auftragsschmelzen | Foto: © Patrick Knittler, FH Kiel Laser-Pulver-Auftragsschmelzen als additives Fertigungsverfahren mit großem Potenzial Das Laser-Pulver-Auftragsschmelzen (LPA) ist ein additives Fertigungsverfahren für Metallbauteile: Dabei wird feines Metallpulver (Partikelgröße im hundertstel Millimeterbereich) über eine Ringdüse abgeschieden und unmittelbar durch einen mittig in der Düse austretenden Laserstrahl aufgeschmolzen. Die Düse verfährt über eine metallische Oberfläche und trägt einzelne Bahnen mit dem aufgeschmolzenen Pulver auf, aus denen das Bauteil aufgebaut wird. Mit diesem Verfahren lassen sich komplexe, innenliegende 5-Achs-Geometrien mit einer Präzision von wenigen zehntel Millimetern herstellen, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht realisierbar sind (Gibson et al. 2021). Ein Beispiel hierfür ist die innenliegende Kühlkanalstruktur einer Spritzgussform für die Fertigung von Kunststoffprodukten. Der hohe Freiheitsgrad des LPA-Verfahrens erlaubt dabei eine endkonturnahe Kanalführung im additiv gefertigten Formwerkzeug. Mit dieser Struktur soll eine optimierte schnellere und gleichmäßigere Abkühlung des Kunststoffteils erzielt werden. Dies führt zu kurzen Fertigungszeiten und reduzierten Herstellkosten. Die nachfolgenden Abbildungen zeigen links den Produktionsprozess mit der Düse und rechts den Querschnitt der Kühlkanalstruktur. Ein weiterer großer Vorteil des Verfahrens ist, dass Pulver unterschiedlicher Metalle in einem beliebigen Mischungsverhältnis über die Düse abgeschieden werden können. Beispielsweise kann für eine optimierte Funktion der Kühlkanalstruktur Edelstahl mit einer Kupfer-Aluminium-Legierung für eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit kombiniert werden. Hierdurch wird eine gezielte Anpassung der Eigenschaften in definierten Bereichen der Spritzgussform möglich. Herausforderungen des LPA-Verfahrens Neben den aufgezeigten Vorteilen bestehen bei diesem Verfahren derzeit noch viele Herausforderungen, welche einen wirtschaftlichen Einsatz hemmen. Die Qualität des fertigen Bauteils wird 28
WERKWANDEL 01/2024 Wissenschaft direkt durch viele prozessspezifische Parameter bestimmt, welche komplexe und nicht vorhersehbare Wechselwirkungen untereinander zeigen. Diese Parameter sind stark von der Geometrie des Bauteils abhängig und müssen vorab experimentell bestimmt werden. Dieses Vorgehen ist sehr zeit- und kostenintensiv, da das Bauteil in einer Vorserie mehrmals additiv gefertigt werden muss. Der hierfür benötigte Aufwand hängt zudem stark von der Erfahrung des Anwenders ab und lässt deren Kosten auf drei Serienbauteile umgelegt werden, sodass sich die in Abbildung 2 dargestellte Kostenverteilung für ein einzelnes Serienteil ergibt. Die Verteilung zeigt die Notwendigkeit, den Aufwand für die Vorserie in der Berechnung der Herstellkosten zu berücksichtigen: Mit anteilig 48 Prozent entspricht dieser knapp der Hälfte der Herstellkosten eines Bauteils und ist ein wesentlicher Kostentreiber. Dieser Aufwand muss von LPA-Düse und Querschnitt fertige Kühlkanalstruktur Fotos: © Patrick Knittler & CIMTT, FH Kiel 2 % 4 % 8 % sich vorab schwer kalkulieren. Deshalb wird dieser Aufwand in der Praxis bei den Herstellkosten oft nicht berücksichtigt. Für einen wirtschaftlichen Einsatz des LPA-Verfahrens ist eine Berücksichtigung dieser Kosten zwingend erforderlich, denn der Aufwand für die Vorserie muss von den vermarktbaren Bauteilen getragen werden. Deshalb wurden exemplarisch für die in der vorangegangenen Abbildung gezeigte Kühlkanalstruktur alle einzelnen Schritte bei der Herstellung zeitlich erfasst. Diese Zeiten flossen dann in ein Kostenmodell ein. Zusammensetzung der Herstellkosten 48 % 38 % In dem Kostenmodell wird der gesamte Fertigungsprozess vom Erhalt der digitalen Zeichnung bis zum fertigen additiven Bauteil kostentechnisch abgebildet. Insbesondere der Aufwand der Prozessparameteridentifikation findet in diesem Modell eine Berücksichtigung. Für die in Abbildung 1 gezeigte Kühlkanalstruktur umfasst die Vorserie drei experimentell gefertigte Bauteile, Materialkosten eines Serienbauteils Fertigungslöhne eines Serienbauteils Sonstige Gemeinkosten eines Serienbauteils Maschinenkosten eines Serienbauteils Deckungsanteil der Vorserienkosten eines Serienbauteils Zusammensetzung der Herstellkosten eines Serienbauteils. 29
