Wir freuen uns Ihnen an unserem Stand auf der Hannover Messe eine Vielzahl von Exponaten zu verschiedenen Themenfeldern zu präsentieren.
Die Erhaltung der Konkurrenzfähigkeit in produzierenden Betrieben erfordert die stetige Verbesserung der Bauteilspezifikationen und/oder alternative, kosteneffizientere Prozessketten für die Produktion und Kreislaufwirtschaft. Als ein alternatives Fertigungsverfahren konnte eine modifizierte Variante des Laserauftragschweißens, das Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (EHLA), die Beschichtungseffizienz für den Verschleiß- und Korrosionsschutz von rotationssymmetrischen Bauteilen um ein vielfaches erhöhen, da das Verfahren hohe Vorschubsgeschwindigkeiten (> 20 m/min) und die Verarbeitung von schwer schweißbaren Materialien zulässt. Das Fraunhofer ILT hat das anfänglich 2D rotationssymmetrische Verfahren auf die Bearbeitung in 3 Dimensionen für die additive Fertigung, Freiformoberflächenbeschichtung und -reparatur transferiert. Neben der Möglichkeit nicht-rotationssymmetrische Bauteile zu bearbeiten, ermöglicht das EHLA Verfahren in 3 Dimensionen, EHLA3D, die Kombination von hohen Auftragsraten und hohen Strukturauflösungen.
Durch den präzisen, gesteuerten Wärmeeintrag können mittels EHLA3D dünnwandige Strukturen mit Wandstärken d < 1 mm sowie solide Volumina rissfrei und mit relativen Dichten von über 99,5% mit hoher Produktivität additiv gefertigt werden. Diese Prozessspezifikationen erlauben die flexible Gestaltung von dünnwandigen Leichtbauelementen aus bspw. schwer schweißbaren Aluminiumlegierungen. Im Falle des Exponats wurde ein Aluminium-Flansch individuell mit variablen Überhanggeometrien und einer Aufbauzeit von < 1 h mittels EHLA3D aufgebaut.
Die prozessspezifischen Vorteile des EHLA3D-Verfahren sind der Aufbau von dünnwandigen Elementen, Verarbeitbarkeit von schwer schweißbaren Materialien sowie die endkonturnahe, additive Fertigung. Diese Vorteile erlauben je nach Materialauswahl Bauteilspezifikationen sowie Prozessspezifikationen, die neue Anwendungsfelder im industriellen Umfeld erschließen können. Beispiele der Ausweitung der Einsatzmöglichkeiten von EHLA3D auf weitere Anwendungsfelder sind u.A.:
Die technische Entwicklung der Windkraftanlagen in Deutschland hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten auf die Konstruktion immer größerer Anlagen konzentriert. Durch die Erhöhung der Nabenhöhe kann der Energieertrag kontinuierlich gesteigert werden. Der durchschnittliche Rotordurchmesser von Windkraftanlagen hat sich in den letzten fünf Jahren beinahe verdoppelt. Diese Entwicklung stellt hohe Anforderungen an die in den Windkraftgetrieben eingesetzten Lager – insbesondere im Hinblick auf Gewicht, Bauraum und Drehmomentdichte. Um diesen Anforderungen zu entsprechen ist ein Umstieg von Wälzlagern auf hydrodynamische Gleitlager unabdingbar.
Additive Fertigungsverfahren ermöglichen die besonders energie- und materialeffiziente Fertigung von Gleitlagern auf Planetenradbolzen sowie die Applikation von Sensoren auf diese Bauteile zur Zustandsüberwachung. Mittels EHLA können metallische Werkstoffe, beispielsweise Gleitlagerbronzen (hier: CuSn12Ni) und Weißmetalle, als stoffschlüssige Beschichtung aufgetragen werden. Die optionale Simultanbearbeitung durch SMaC (Simultaneous Machining and Coating), bei welcher der Planetenradbolzen gleichzeitig beschichtet und mechanisch nachbearbeitet wird, ermöglicht eine noch wirtschaftlichere Fertigung in einer drastisch verkürzten Prozesskette. Mittels additiver Dünnschichtverfahren können solche Gleitlager anschließend mit Sensoren versehen werden, die im Einsatz Drehmoment, Dehnung und Körperschall erfassen können.
Die Kombination von Laserauftragschweißverfahren mit digitalen Druck- und Lasernachbehandlungsverfahren in einer Prozesskette ermöglicht die Herstellung »fühlender« Bauteile. Dadurch wird eine permanente Überwachung zur Lastdokumentation und Überlasterkennung ermöglicht. Das integrierte Herstellungsverfahren von Bauteil und Sensor erschließt neue Anwendungen, wo Zustandsüberwachung bisher zu komplex oder nicht wirtschaftlich war. Durch EHLA wird die wirtschaftliche und ressourcenschonende Herstellung von hochleistungsfähigen hydrodynamischen Gleitlagern für Anwendungen in der Windenergiebranche realisiert. Auf diese Weise wird die Einsatzdauer von Windkraftgetrieben erhöht und der Bau noch leistungsfähigerer Windkraftanlagen ermöglicht.
Der Bedarf an Sensoren für smarte digitale Lösungen nimmt stetig zu. Das Fraunhofer ILT entwickelt Verfahren zur additiven Integration von Sensoren in Bauteile. Dadurch können Versagensfälle analysiert und vorhergesagt werden. Gedruckte Elektronik kann mit additiven Fertigungsmethoden wie Laser Powder Bed Fusion (LPBF) kombiniert werden. Wir präsentieren einen kabellosen Dehnungsmessstreifen (DMS) auf einem Querlenker sowie DMS, die in einen Fräskopf integriert sind.
Li-Ionen-Akkumulatoren mit flüssigem Elektrolyt sind auf Grund ihrer vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten und der hohen Energiedichten marktführende Energiespeichersysteme. Im Zuge der Energiewende sind sowohl die Nachfrage als auch die Anforderungen an die Batteriesysteme sehr hoch. Diese reichen von einer ressourcenschonenden, nachhaltigen Produktion bis zu einem steigenden Bedarf an höheren Energie- und Leistungsdichten.
Mit der Integration von laserbasierten Trocknungs- und Strukturierungsverfahren bietet das Fraunhofer ILT innovative Ansätze beim Rolle-zu-Rolle-Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien, um die steigenden Anforderungen der Produktion zu erfüllen.
Durch die Nutzung von effizienten Diodenlasern können die wasserbasierten Elektrodenschichten wesentlich energie- und platzsparender als in aufwändigen Heißluftofenprozessen getrocknet werden. Darüber hinaus können im nachgeschalteten Laserstrukturierungs-Prozess die Leistungsdichte und Lebensdauer der Batteriezellen unter Nutzung von ultrakurz gepulster Laserstrahlung erhöht werden. Gleichzeitig werden durch die Kombination mit einem Multistrahl-Strukturierungsmodul industrierelevante Verfahrensgeschwindigkeiten erreicht.
Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit bei der Fertigung von Bipolarplatten werden Umformwerkzeuge aus hochwertigen Werkzeugstählen durch kostengünstigere Werkzeuge aus Baustahl ersetzt und diese mit einer Verschleißschutzschicht versehen. Die Beschichtung erfolgt mit dem Extremen Hochgeschwindigkeits-Auftragschweißen (EHLA). Mit diesem Bearbeitungsverfahren werden Prozessgeschwindigkeiten bis zu 500 Metern pro Minute erreicht. Die Endbearbeitung der Umformwerkzeuge erfolgt durch Lasermaterialabtrag.
Im Zuge der Energiewende nimmt die Nachfrage nach Technologien wie PEM-Brennstoffzellen stetig zu. Das Fraunhofer ILT entwickelt ein laserbasiertes Verfahren, welches die Herstellung von neuartigen Korrosionsschutzschichten für Bipolarplatten (BPP) ermöglicht. Dabei wird ein Präkursor auf die BPP aufgesprüht und getrocknet. Durch die anschließende Funktionalisierung mittels Laserstrahlung wird diese Präkursorschicht in eine leitfähige und korrosionsbeständige Schicht umgewandelt.
Das Verfahren verzichtet auf aufwändige und teurer Vakuumverfahren, wodurch ein Einsatz in einer kontinuierlichen Produktionsstraße erheblich vereinfacht wird. Durch die kurze Wechselwirkungszeit zwischen Laserstrahlung und Werkstück wird dessen thermische Belastung minimiert.
Bei LMD beeinträchtigt die Prozesswärme die Stabilität und Genauigkeit, indem Abweichungen in der Schichtdicke entstehen. Das Fraunhofer ILT hat ein KI-Modell zur Anpassung der Laserleistung während des Aufbaus entwickelt. Das KI-Modell wird angelernt, die Korrelationen zwischen Laserleistung, Geometrie und weiteren Faktoren in Bezug auf die Schmelzbadfläche zu erkennen. Dies ermöglicht anschließend die Vorhersage von Prozessparametern und reduziert den Aufwand in der Prozessentwicklung für LMD.
Durch das am Fraunhofer ILT entwickelte, Kombinationsverfahren Simultaneous Machining and Coating (SMaC) kann die hauptzeitparallele Kombination des EHLA-Beschichtungsprozess mit einem subtraktiven Fertigbearbeitungsschritt umgesetzt und die Produktivität enorm gesteigert werden. Neben den wirtschaftlichen Vorteilen bietet das SMaC-Verfahren im Vergleich zur konventionellen Prozesskette auch technologische Vorzüge.
Die in dem Beschichtungsvorgang entstehende Prozesswärme führt zu einer Entfestigung des Werkstoffs und damit zu einer einfacheren Zerspanung. Dadurch ist eine werkzeugschonendere und schnellere Herstellung von Korrosions- und Verschleißschutzschichten sowie funktionaler Oberflächen möglich. Insbesondere beim Auftragen andernfalls schwer zerspanbarer, hochfester Beschichtungswerkstoffe ergeben sich durch die SMaC-Technologie erhebliche Vorteile
Neben der politischen Klimaschutzauflagen steht die Raumfahrindustrie aufgrund der internationalen Konkurrenz unter steigendem Kostendruck. Um die europäische Konkurrenzfähigkeit zu erhalten, entwickelt das Fraunhofer ILT im Rahmen des laufenden EU-Projekts ENLIGHTEN einen additiven Fertigungsprozess von Raketendüsen mittels LMD. Die Spezifikationen einer Raketendüse erfordern den produktiven Aufbau eines großen Bauteils mit filigranen Kühlkanälen, die durch die LMD-Technologie ermöglicht wird.
Am Fraunhofer ILT wird eine automatisierte, hybride Prozesskette für die nachhaltige Reparatur von metallischen Bauteilen entwickelt. Im Mittelpunkt steht eine Abfolge von subtraktiven und additiven Fertigungsprozessen. Zunächst erfolgt ein lokaler Materialabtrag in Form einer definierten Nutgeometrie an der Schadstelle. Das Volumen im vorbearbeiteten Bereich wird mittels EHLA additiv aufgefüllt und abschließend zerspanend bearbeitet, um die ursprüngliche Kontur des Bauteils wiederherzustellen.
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT