Auftragschweißen Oberflächenveredelung mit DED

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BeAM SAS Be Additive Manufacturing

Listemann Technology AG

Linde Material Handling GmbH

Renishaw GmbH

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Auftragschweißen eignet sich auch zum Veredeln von Oberflächen – im Gegensatz zu Pulverbettverfahren. Damit will Listemann anfangen und später ganze Bauteile selbst additiv fertigen.

Listemann lässt sich auf seine erste 5-Achs-Maschine ein. Der Dienstleister aus Liechtenstein hat sich auf Oberflächenveredelung spezialisiert, genauer gesagt auf die Optimierung und Kombination von Materialien. Die vorhanden Verfahren will das Unternehmen dieses Jahr um das additive Auftragschweißen (DED, direkted energy deposition) ergänzen, genauer gesagt um eine Modulo 400 von Beam. Die neue Version wird weltweit erstmals im September 2021 ausgeliefert und direkt bei Listemann installiert. Beim DED-Verfahren wird zumeist von einem Laser ein Schmelzbad erzeugt, gleichzeitig wird Metallpulver oder Draht zugeführt und aufgeschmolzen. Die Modulo 400 arbeitet mit Pulver, das über einen Pulverförderer zur Auftragsdüse gelangt. Als Förderer setzt Beam die zweite Generation seiner Medicoat Vibrations Feeder ein, die beide selbstentwickelten Auftragsdüsen beliefern. Die fünf simultan verfahrenden Achsen sorgen dafür, dass Bauteile während des Prozesses aus vielen verschiedenen Winkeln aufgebaut werden können.

Neu ist Listemann in der Additiven Fertigung nicht – und irgendwie doch. Die Tochter IQTemp ging aus einer Kooperation mit Renishaw hervor, hat also Erfahrung mit selektivem Laserschmelzen (SLM). Doch zwischen Pulverbett und Auftragschweißen liegen für Listemann Welten. Zum einen wird ihre Arbeit durch den kleinen Bauraum der Pulverbett-Maschinen begrenzt. Zum anderen „haben wir uns bewusst wegen der Flexibilität und der Auftragsleistung für das DED-Verfahren entschieden“, sagt Dr. Manfred Boretius, CEO der Listemann Gruppe. Außerdem kann man bei Beam auch eine Inertgas-Atmosphäre dazu kaufen. Mit diesem Schutzgas ist es möglich auch reaktive Metalle wie Titan zu verarbeiten oder mit höheren Leistungen zu arbeiten. Ein wichtiger Punkt ist auch, dass Listemann mit dem Verfahren mehr machen kann als nur Bauteile additiv fertigen. An einem bestehenden Bauteil können sie Reparaturen durchführen oder es modifizieren. Beispielsweise könnte Listemann an einem Rohr Nocken aufschweißen – in beliebiger Geometrie und Größe. Aber die Anwendung mit der Listemann starten wird, ist das Beschichten. Bisher veredeln sie Oberflächen per Vakuumlöten oder mit thermischem Spritzen, nun kommt die Laserbearbeitung dazu.

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Ist die Modulo 400 in Liechtenstein bei Listemann angelangt, wollen sie sich erst mit der Maschine vertraut machen und ein fundiertes Know-how aufbauen, bevor sie die ersten Kundenaufträge annehmen. „Als Dienstleister müssen wir die Maschine und den Prozess 100-prozentig beherrschen und damit einwandfreie Ergebnisse erzielen, bevor wir an den Markt treten“, so Boretius. Er schätzt, dass sie Mitte 2022 das Beschichten voll eingeführt haben. Für komplexere Anwendungen nehmen sie sich mehr Lernzeit heraus.

Programmierkenntnisse und Schweißerfahrung

Aufgeregt sind sie, da die Modulo 400 ihre erste 5-Achs-Maschine sein wird. „Das ist für uns völlig neu“, so Boretius. „Wir müssen Kompetenzen für die Konstruktion im DED-Verfahren und in der Programmierung einer 5-Achs-Maschine aufbauen.“ Die Konstruktion für additive Bauteile übernimmt vorerst die IQTemp. Aber eine solche Maschine zu programmieren, darin hat Listemann noch keine Erfahrung. „Für Maschinenbediener, die NC-Programme einer 5-Achs-Fräse programmieren, ist es kaum ein Unterschied“, versichert Jörg Oster, Account Manager Deutschland und Österreich von Beam. Denn der Aufbau der Modulo 400 entspricht dem einer Standard-5-Achs- oder Gantry-Maschine. „Aber Vorsicht“, wirft Oster ein, „hier wird nicht Material entfernt, sondern aufgebaut!“ Deswegen kann mit fortschreitendem Bauprozess plötzlich das Bauteil im Weg sein. Darauf muss der Programmierende achten. „Eigentlich muss man nur die Vorzeichen tauschen. Dort, wo man beim Fräsen ein Minus-Zeichen setzt, steht beim DED ein Plus“, relativiert Oster die Schwierigkeit. Auch Erfahrung im Schweißen ist eine gute Grundlage für die Arbeit mit DED-Maschinen. Denn hier ist klassisches Schweißerwissen gefragt: Welche Materialien passen zusammen? Wie stark vermischt sich der aufzutragende Werkstoff mit dem Basismaterial? Wo legt man eine Kühlpause ein, damit es nicht zum Verzug kommt?

Investition durch hochwertige Beschichtung amortisieren

Zuvor muss die Maschine jedoch gekauft werden – für etwa den dreifachen Preis einer modernen 5-Achs-Fräsmaschine. Oster relativiert die folgenden Kosten: Da die Korngrößen der Metallpulver bei 45 bis 100 µm liegen, sind sie meistens etwas günstiger als bei Pulverbett-Verfahren und auch nicht so Lungendurchgängig, was die Sicherheit der Mitarbeiter erhöht. Auch Boretius sieht den hohen Invest gelassen: „Wenn ich ein günstiges Grundmaterial mit einem hochwertigen beschichte und damit eine 10-fache Standzeit erreiche, dann hat sich das sehr schnell amortisiert.“ Hinzu kommt, dass die Schichtdicken hier nicht bei wenigen µm wie im Werkzeugbau üblich, sondern bei 1 bis 10 mm liegen. „Wenn wir eine 3 mm starke Beschichtung aufbauen, kann der Kunde drei Mal abschleifen ohne eine neue Beschichtung auftragen zu müssen“, fügt Oster an. Außerdem will das Liechtensteiner Unternehmen nicht in den Massenmarkt. Sie fokussieren sich auf Nischen und wollen Kunden bedienen, bei denen es um gezieltes Werkstoffdesign, höchste Qualität und innovative Werkstofflösungen geht.

Im Druckprozess neue Legierungen entwickeln

Speziell für den Werkzeug- und Formenbau ist Beam dabei vier universell einsetzbare Edel- und Werkzeugstähle zu entwickeln, weitere sind geplant. Jeder soll das passende Material für seine Anwendungen finden. „Wahrscheinlich wird es nicht exakt der Werkstoff, den man in konventionellen Verfahren verwendet, denn es ist sehr schwer diese als Pulver für die Additive Fertigung aufzubereiten“, erklärt Oster, „aber ein passendes Pendant wird es geben.“ Die Werkstoffe sollen in den Härten von hart bis zäh verfügbar sein. Anwender können das Materialportfolio aber auch selbst erweitern. Denn das Entwickeln neuer Werkstofflegierungen im Druckprozess gehört zu den Vorteilen des DED-Verfahrens. Darauf freut sich Boretius auch schon: „Wir können mehrere Pulverförderer nehmen, diese Pulver mit unterschiedlichen Zusammensetzungen mischen, dem Prozess zuführen und so maßgeschneiderte Werkstoffe oder Übergänge von Werkstoff A zu Werkstoff B erzeugen.“ Die Pulver kommen im Laserkopf zusammen und werden im Laserstrahl mit dem Bauteil verschmolzen.

Werkzeuge mit Materialübergängen verbessern

Materialübergänge sind beispielsweise bei Schneidstempeln sinnvoll. Denn sie sollten an der Schneide hart sein, damit sie gut durch das zu bearbeitende Material kommen und nicht schon nach 1.000 Zyklen verschlissen sind. Macht man einen Schneidstempel aber so hart, dass der Verschleiß gering ist, besteht die Gefahr, dass er bricht. Also wird derzeit mit einem Kompromiss zwischen Härte und Zähigkeit gearbeitet. „Mit DED können wir ein Material weich oder zäh aufbauen – vielleicht auch noch stoßdämpfend – und für die letzten 5 oder 10 mm an der Spitze ein ultrahartes Material verwenden. So verlängert sich die Standzeit der Werkzeuge in der Produktion deutlich“, so Oster. Doch was passiert mit dem Restpulver? Laut Oster gibt es nur wenig Restpulver, denn das Material wird direkt auf die entsprechende Verarbeitungsstelle aufgetragen und nicht über eine größere Fläche verteilt.

Wenig Nachbearbeitung notwending

Auf ein Bauteil, dass aus einem 3D-Drucker kommt, wartet das Postprocessing. Bis auf die Wärmebehandlung ist bei Listemann die Nachbearbeitung ausgelagert. So hat sein Kunde die Wahl, ob er das beschichte Teil selbst nachbearbeiten will oder einem Partner von Listemann anvertraut. Oster merkt dazu an, dass durch die 5-Achs-Bewegung beim Aufbau Stützstrukturen zumeist nicht benötigt werden. Es handelt sich außerdem um einen Prozess im near net shape. Das bedeutet, dass die Bauteile direkt aus dem Drucker in Geometrie und Kontur bereits sehr nah am Endmaß des gewünschten Teils sind.

Derzeit arbeiten die beiden Unternehmen daran, die Modulo 400 und den DED-Prozess für den Werkzeug- und Formenbau weiterzuentwickeln. Aber die Kooperation hat Zukunft: Denn potenzielle Kunden von Beam, die sich nicht gleich eine Maschine kaufen wollen, können bei Listemann Teile in Auftrag geben und sich so von der Qualität überzeugen lassen.

Dieser Beitrag entstand in Zusammenarbeit mit unserem Partnerportal Mission Additive.

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