Maschinenintegrierte Überwachungssysteme machen das Laserauftragschweißen von Draht stabiler. Partner aus Industrie und Forschung haben dafür das bildgebende Verfahren der optischen Kohärenztomografie (OCT) in einen koaxialen Prozess integriert.
Das Laserauftragschweißen von Draht (Wire-based Laser Metal Deposition, kurz: LMD-w) soll in Zukunft als vollwertiges 3D-Druckverfahren genutzt werden. Für dieses additive Fertigungsverfahren wird ein Metalldraht als Zusatzwerkstoff mit Laserlicht auf einem Werkstück aufgeschweißt, und zwar Schweißraupe für Schweißraupe. Nebeneinander ergeben diese eine Schicht, mehrere Schichten aufeinander ergeben ein Bauteil. Da beim LMD-w nur dort Werkstoff aufgetragen wird, wo er gebraucht wird, zählt es zu den ressourcenschonenden Verfahren. Es ist jedoch aufwendig, den Prozess dafür zu entwickeln, auch ist dieser wenig stabil. Das steht einem breiteren industriellen Einsatz des Verfahrens entgegen. Bisher wird es für spezielle Reparaturverfahren oder das Aufbringen von Verschleißschutzschichten verwendet.
Im Forschungsprojekt „Topcladd – Adaptive Laser Cladding for Precise Metal Coating Based on Inline Topography Characterization“ haben die Partner erstmals ein koaxiales LMD-w-System mit einem System zur Bildgebung versehen. Es soll dazu beitragen, den Laserprozess zu stabilisieren und aktiv zu regeln. Sie nutzen dafür die optische Kohärenztomografie (OCT). Diese hat ihren Ursprung in der Augenheilkunde und eignet sich zur berührungslosen und hochaufgelösten Darstellung tomographischer Schnittbilder. Das Verfahren basiert auf kurzkohärenter Interferometrie. Mit einer hohen Messfrequenz lässt sich mittels der OCT die Oberflächenqualität der Auftragsschweißnaht im Prozess prüfen und verbessern.
Laserauftragschweißen plus OCT – so ist der Prozess stabiler
Die Qualität beim Laserauftragschweißen hängt vor allem von der Oberfläche der Schweißnaht ab: je welliger, desto niedriger die Bauteilqualität. Um den Prozess stabiler zu machen und eine qualitativ hochwertige Schweißnaht zu erreichen, müssen die Prozessschritte einzeln aufgenommen werden. Die OCT prüft die Oberfläche im Phasenübergang von fest zu flüssig. Das zeigt, wie sich die finale Schweißraupengeometrie ausprägt. Damit lässt sich der Laserprozess gegebenenfalls schon für die benachbarte oder darüberliegende Schweißraupe anpassen. Qualitativ mangelhafte Schweißnähte lassen sich auch nachträglich ausbessern.
Um die Vorteile der OCT für den Prozess des Laserschweißens zu nutzen, integrierten Forscher am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen das OCT-System koaxial in den Bearbeitungskopf des Lasers. Der Laser und das OCT-System nutzen dabei eine gemeinsame Optik, interferieren aber aufgrund ihrer unterschiedlichen Wellenlängen nicht. Ein Axikon, also eine kegelförmige Linse, sowie einige prismenförmiger Optiken gewährleisten die Koaxialität des Bearbeitungs- und Messlichts.
Dieses optische Design ermöglicht es, dass der Messlaser die aufgetragene Schweißnaht um den zentral verlaufenden Metalldraht herum kreisförmig abtasten kann. So gelingt eine multidirektionale Messung, unabhängig von der Bewegungsrichtung des Schweißkopfes. Das gesamte Werkstück kann vermessen werden, ohne dass der Draht das Messlicht blockiert.
Mit OCT zur aktiven Prozessregelung
Im Projekt entstand auch ein Prozessmodell, mit dem sich der Prozess datenabhängig anpassen und regeln lässt. Das macht die Laserprozesse robuster, sodass sich eine Vielzahl neuer Anwendungsfelder erschließen lässt. “Mit der OCT können wir beim Laserauftragschweißen in Zukunft nicht nur ein bis zwei Ebenen übereinander aufbringen, sondern beliebig viele Schichten“, sagt Robin Day, Leiter der Abteilung Energetische Strahlverfahren am Fraunhofer IPT. So werde das LMD-w zu einem vollwertigen und nachhaltigen additiven Herstellungsverfahren aufgewertet.
Das Projekt TopCladd erhielt für vier Jahre eine Förderung vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Förderprogramms M-Era.Net – flexible und bedarfsgerechte transnationale Förderung im Bereich der Materialforschung. Als Projektpartner engagierten sich die belgische Deltatec S.A., Ans, die Dinse GmbH, Hamburg, das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen, die Laserco S.A. aus Charleroi in Belgien, die Gaggenauer Precitec GmbH & Co. KG sowie die Quada V+F Laserschweißdraht GmbH, Hemer.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Robin Day M.Sc., Abteilungsleiter Energetische Strahlverfahren
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
Steinbachstr. 17
52074 Aachen
Tel. +49 (0)241- 8904-161
E-Mail: robin.day@ipt.faunhofer.de
URL: www.ipt.fraunhofe.de
