EHLA-3D-Technologie Fraunhofer ILT erweitert EHLA-Verfahren zum Highspeed-3D-Druck

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT haben das zweidimensionale Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen EHLA auf eine modifizierte 5-Achs-CNC-Anlage für die additive Fertigung von komplexen Bauteilen transferiert. Mit der EHLA-3D-Technologie lassen sich Druckzeiten verringern und schwer schweißbare Werkstoffe verarbeiten.

Vor zehn Jahren wurde am Fraunhofer ILT und dem Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen University das Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen EHLA entwickelt. Bei dem patentierten Verfahren schmilzt ein Laser Pulverpartikel oberhalb des Schmelzbades auf. Auf diese Weise lässt sich gegenüber dem Laserauftragschweißen (Laser Material Deposition LMD) die Prozessgeschwindigkeit von bisher 0,5 bis 2,0 Meter pro Minute auf bis zu 200 Meter pro Minute steigern und die Schichtdicke von 500 Mikrometer auf bis zu 10 Mikrometer senken. Nun wurde das EHLA-Verfahren erfolgreich in die dritte Dimension geführt.

Von EHLA zum Highspeed-3D-Druck

Seit 2019 arbeiten Wissenschaftler am Fraunhofer ILT bereits an der EHLA-3D-Technologie. Um EHLA mit dem Highspeed-3D-Druck zu kombinieren, modifizierten sie eine 5-Achs-CNC-Anlage so, dass sie höchste Präzision und hohe Vorschubgeschwindigkeiten für die additive Fertigung, Freiformbeschichtung und Bauteilreparatur mittels EHLA vereint. Laut Fraunhofer ILT kombiniert EHLA 3D die Produktivität von LMD mit dem strukturell gezielten, präzisen Aufbau von Laser Powder Bed Fusion LPBF. 50 bis 300 Mikrometer dicke Schichten seien möglich. So sollen sich produktiv Bauteile herstellen lassen, die schon sehr nah an die Endkontur kommen. Dank der geringen Aufmischungszone und der hohen Abkühlgeschwindigkeit sind mit der EHLA-3D-Technologie auch Bauteile aus schwer schweißbaren Werkstoffen und Multimaterialpaarungen additiv herstellbar, heißt es.

Schneller 3D-Druck durch hohen Wirkungsgrad

Jetzt wurden erste Bauteile hergestellt. Demnach halbiert sich nach Angaben des Fraunhofer ILT mit EHLA 3D die Druckzeit im Vergleich zum LMD. Das gelingt mit entsprechend ausgelegter Maschinentechnik und angepasster Bahnplanung der CNC-Programme. Die Produktivität steht und fällt hier mit dem Zusammenspiel des sogenannten fly-in, bei dem der Laserkopf mit eingeschaltetem Laserstrahl zum Einsatzort fliegt, mit dem anschließenden fly-out, dem abgebremsten Herausfliegen aus der Bearbeitungszone. Der Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Verhältnis von Bearbeitungszeit mit eingeschaltetem Laserstrahl zur gesamten Prozesszeit. Untersuchungen belegen: Bei einer Beschleunigung von 50 Meter pro Quadratsekunde und einem Vorschub von 50 Meter pro Minute für eine Strecke von 100 Millimeter beträgt der Wirkungsgrad M-PDE (Machine-Related Powder Deposition Efficiency) rund 80 Prozent. Bauteile aus dem Aerospace-Werkstoff Inconel 718 zeigen, dass sich Auftragraten von mehr als 2 Kilogramm pro Stunde mit einer Dichte von über 99,5 Prozent umsetzen lassen.

Zuverlässiger EHLA-3D-Druck auch mit gebrauchtem Pulver

Die Wissenschaftler untersuchten außerdem, wie sich die Kennwerte des Aerospace-Bauteeils verändern, wenn sie statt mit neuem mit recyceltem Metallpulver arbeiten. In beiden Fällen betrug die Zugfestigkeit Rm rund 1300 Megapascal. Das entspricht einem Gussbauteil. Auch bei Bauteilen aus Edelstahl 316L und Aluminium-Silizium-Legierungen entsprachen die erzielten mechanischen Eigenschaften denen, die in der Literatur für konventionell hergestellte Proben angegeben sind. Nach eigenen Angaben beträgt die aktuell mögliche strukturelle Auflösung von dünnwandigen Aluminiumbauteilen rund 500 Mikrometer.

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