BreitbahnDED: Breitere Schweißraupen für mehr Flächenleistung beim LMD

BreitbahnDED ist ein öffentlich gefördertes Forschungsprojekt zu breiteren Schweißraupen beim Laserauftragschweißen (LMD), auch DED-LB/M genannt. Die Frage aus Sicht der Industrie: Lässt sich großflächiger Auftrag beschleunigen? Und zwar ohne die Kontrolle über Schmelzbadstabilität, Geometrie, Temperaturverteilung und die abschließende Validierung zu verlieren.

Prozessaufnahme aus dem Forschungsprojekt BreitbahnDED

Öffentlich gefördertes Projekt

BreitbahnDED wird von der Europäischen Union und dem Land Nordrhein-Westfalen gefördert. Die Förderlogos zeigen wir gemäß den Kommunikationsvorgaben des Projekts.

Kofinanziert von der Europäischen Union
Ministerium für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen

Offiziell geht es um System- und Prozessentwicklung für breite Schweißbahnen beim Laserbeschichten (Laser Cladding) und bei der gerichteten Energieeinbringung (DED) mit Multispot-Optiken. Für Exafuse ist das unmittelbar relevant. Bei großen Bauteilen, Reparaturaufbauten und Schutzschichten kommt es oft darauf an, wie effizient sich Material über eine große Fläche oder ein großes Volumen auftragen lässt.

Warum schmale Raupen große Flächen bremsen

LMD eignet sich zum Fertigen, Reparieren und Beschichten von Metallbauteilen. Große Flächen dauern jedoch lange, wenn jede einzelne Bahn schmal ist. Herkömmliche LMD-Bahnen sind oft 1–4 mm breit. Große Aufbauten oder breite Beschichtungen brauchen deshalb viele überlappende Bahnen.

Daraus entstehen drei praktische Probleme:

  • Mit der Zahl der Bahnen steigt die Prozesszeit.
  • Überlappungszonen werden zu qualitätskritischen Bereichen, wenn Wärme, Raupenform oder Pulverzufuhr nicht beherrscht werden.
  • Fokus und Laserleistung einfach zu vergrößern, schafft neue Risiken: ungleichmäßige Wärmeverteilung, instabiles Schmelzbad, Verzug und höhere Betriebskosten.

Der Ansatz von BreitbahnDED

BreitbahnDED untersucht rotierende Multispot-Optiken, statt auf einen einzelnen vergrößerten Laserspot zu setzen. Der Laserstrahl wird in mehrere Spots aufgeteilt. Ein optomechanisches System lässt diese Spots schnell rotieren.

Ziel des Projekts sind breitere und gleichmäßigere Auftragsbahnen. Laut öffentlicher Projektkommunikation liegt das erste Ziel bei rund 5 mm Bahnbreite, perspektivisch sind bis zu 10 mm denkbar. Das sind Forschungsziele. Sie bedeuten nicht, dass sich jedes Kundenbauteil mit dieser Breite auftragen lässt.

Was im Projekt entwickelt wird

Das Projekt ist nicht nur ein Optikthema. Es verbindet Hardware, Pulverförderung, Sensorik und Regelung:

  • ein neuer LMD-Bearbeitungskopf mit integrierter rotierender Multispot-Optik
  • eine dynamische Pulverförderung mit totzeitkompensierter Regelung für eine genauere Materialzufuhr
  • multimodale Sensorik mit CMOS-Kameras, Pyrometern und Triangulationssensoren zur Prozessbeobachtung
  • Echtzeit-Regelalgorithmen zur Stabilisierung des Schmelzbads
  • eine adaptive Regelung von Lage zu Lage für eine gleichmäßigere Bauteilqualität

Erwarteter Nutzen für die Industrie

Funktioniert die Technik wie geplant, könnten breitere und stabilere Bahnen die Prozesszeit für große Bauteile und Beschichtungen senken. Die öffentliche Projektkommunikation nennt mögliche Zeiteinsparungen von 30–50 % und eine angestrebte Pulverausnutzung von über 95 %. Das sind Projektziele oder Schätzungen, keine zugesagten Ergebnisse für Kunden.

Der allgemeine Nutzen lässt sich einfacher beschreiben: Weniger Bahnen, eine kontrolliertere Wärmeverteilung und eine bessere Prozessbeobachtung könnten großflächiges LMD, Reparatur und Beschichtung produktiver machen. Voraussetzung ist eine passende Bauteilgeometrie.

Das Projektkonsortium

In BreitbahnDED arbeiten Forschung und Industrie zusammen:

  • Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik (LAT) – Projektkoordination
  • LMB Automation GmbH
  • Kamp und Koetter GmbH
  • Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Regelungstechnik und Systemtheorie
  • ThinkIng – Additive Technology GmbH, am Markt als Exafuse

Die Europäische Union kofinanziert das Projekt aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und dem Fonds für einen gerechten Übergang (JTF). Die Förderung läuft über das Programm EFRE/JTF NRW 2021–2027 im Wettbewerb „Industrie.IN.NRW – Innovative Werkstoffe und intelligente Produktion“.

Die Rolle von Exafuse

Exafuse bringt die Sicht der Anwendung ein: großvolumige LMD-Bauteile, anspruchsvolle Verschleißschutzschichten, Reparaturfälle und Erfahrung in der Verarbeitung von Legierungen. Das ist wichtig. Forschung zu breiten Raupen wird erst dann industriell nützlich, wenn sie den Randbedingungen echter Bauteile standhält.

Im Projekt liefert Exafuse Beiträge zu Systemauslegung und Simulation auf Basis industrieller Anwendungen. Exafuse wirkt an der Integration von Hard- und Software mit. Außerdem hilft Exafuse, den Prototypprozess zu validieren und schrittweise zu optimieren. Der Schwerpunkt liegt auf anwendungsnahen Versuchen, vor allem an größeren Bauteilen und anspruchsvollen Werkstoffen.

Wo breite Raupen sinnvoll sind

Breite Raupen lohnen sich vor allem, wenn Auftragsvolumen, Beschichtungsfläche oder Reparaturaufbau die Kosten bestimmen. Weniger geeignet sind sie für kleine Details, scharfe lokale Konturen oder sehr knappe Bearbeitungszugaben. Die Projektkommunikation nennt mögliche Zeiteinsparungen von 30–50 % und eine Pulverausnutzung über 95 %. Das sind Projektziele, keine zugesagten Ergebnisse.

Für den Einkauf heißt das: Die Produktivität beim LMD hängt nicht nur von der Anlagenleistung ab. Sie hängt auch von Raupenstrategie, Pulverförderung, Wärmeführung, Prozessüberwachung, Endbearbeitung und Prüfung ab.

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Senden Sie Bauteilgeometrie, ungefähres Auftragsvolumen, Grundwerkstoff, kritische Flächen, Anforderungen an die Nachbearbeitung und Einsatzbedingungen. Bei Reparatur oder Beschichtung helfen Fotos des betroffenen Bereichs und eine Beschreibung des Schadensbilds.

Inhalt

Themen: BreitbahnDED · DED-Produktivität · DED-LB/M · breite Schweißraupen · LMD-Forschung · industrieller Metall-3D-Druck

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Autor und fachliche Prüfung

  • Revision: 1.0
  • Veröffentlicht: Juni 2024
  • Letzte fachliche Prüfung: Juni 2024
  • Art der Seite: Forschung und Entwicklung
  • Grundlage: Freigegebenes öffentliches Projektmaterial

Autor

Julian Krell, Materialwissenschaftler und Geschäftsführer bei Exafuse

Julian Krell – Materialwissenschaftler und Geschäftsführer Werkstoffauswahl, Machbarkeit und Projektumfang

Fachliche Prüfung

Manish Sharma, Leiter KI und F&E für Prozessüberwachung und LMD-/DED-Systeme bei Exafuse

Manish Sharma – Industrielle KI und Entscheidungssysteme Prozessüberwachung, Bildverarbeitung und LMD-/DED-Datensysteme

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