Das Systemhaus Technik

Titan-Laserschmelzen im geschlossenen System

28.09.2011

Generatives Metall-Laserschmelzen in der Luft- und Raumfahrt

21.09.2011: ALPHA ist Europas strategischer Beitrag zur Zukunft der bemannten Raumfahrt. Hinter dem Namen verbirgt sich ein wieder verwertbares Weltraum-Transportsystem. Aufgabe des DLR war es, für aerodynamische Tests ein Modell des ALPHA zu fertigen. Die Wahl fiel auf ein Modell aus Titan hergestellt im LaserCUSING-Verfahren.

Bei den in der Trisonischen Messstrecke Köln (TMK) vorgesehenen dynamischen Messungen wird das Windkanalmodell ALPHA zu erzwungenen Schwingungen veranlasst.  Dadurch bedingt waren u. a. spezielle Anforderungen an die Auslegung des Modells zu stellen:
• Es muss besonders leicht sein, damit Massenkräfte klein bleiben
• Es muss sehr steif sein, damit elastische Verformungen klein bleiben
• Es muss dünnwandig sein, damit genug Platz für die Messtechnik vorhanden ist
• Es darf nur aus wenigen Einzelteilen bestehen, um das Gewicht zu reduzieren.
Einige Anforderungen wurden durch das LaserCUSING erst möglich.


LaserCUSING beim DLR als strategischer Ansatz

Für Strömungstests des ALPHA fertigten Jürgen Mengering, LaserCUSING-Experte, und Markus Boje, Abteilungsleiter Systemshaus Technik West, ein skaliertes Titan-Modell mit der LaserCUSING-Technik von Concept Laser. Der Ansatz wurde durch eine komplett geschlossene Laserschmelzanlage zur Verarbeitung von Titan, ohne Verunreinigung durch Luft möglich. Das DLR setzt zunehmend auf Metall-Laserschmelzen als kostengünstige und schnelle Technik zur Herstellung von Prototypen und Modellen. Hohe Geometriefreiheit und zeitnahe Bauteiloptimierung mit Laserschmelzen von Titanlegierungen oder Inconel stellen aus Sicht von Markus Boje einen enormen Vorteil gegenüber konventionell gefertigten Nickelteilen dar.

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Für die Konstruktion und den prozessualen Aufbau eines generativen Modells aus Titan kommt für das DLR nur ein geschlossenes Anlagensystem in Frage. Sauerstoffausschluss während des kompletten Prozesses und Bauraumgröße waren die wichtigsten Anforderungen des DLR an den Systempartner. Bei der Auswahl der Fertigungsanlage fiel die Wahl deshalb auf eine M2 cusing von Concept Laser in Kombination mit einer freistehenden QM Powder-Siebstation. Der Ausschluss von Sauerstoff, und somit auch die Verunreinigung des Titanpulvers, sind durch die Kombination der beiden Anlagen vom ersten bis zum letzten Prozessschritt voll gewährleistet. Als Prozessgas setzt das DLR ausschließlich Argon ein, um die Reinheit zu gewährleisten. Vor dem Bauprozess werden sowohl die Handlingstation, als auch die Baukammer der M2 cusing-Anlage mit Argon geflutet. Der Sauerstoff wird so sicher verdrängt. Die Handlingstation ist für den Operateur durch Handschuheingriffe zur Durchführung des Rüstvorgangs frei zugänglich. Anschließend wird die Bauplatte in die Prozesskammer gefahren, wo der generative Laserschmelzprozess vollautomatisch stattfindet. Ist der Bauprozess abgeschlossen, wird abgerüstet und das Pulvermaterial mit der QM Powder-Siebanlage gereinigt. Bevor das Pulver gesiebt wird, wird die Siebstation ebenfalls mit Argon geflutet. Erst dann beginnt der Siebprozess unter Sauerstoffausschluss zur Sicherstellung der Pulverqualität.

Konzeptfahrzeug ALPHA im Modell


Aufgabenstellung für den DLR-Prototypenbau war es, ein Hohlkammer-Modell im Maßstab (1:27) des Raumgleiters zu fertigen, um Strömungstests vorzunehmen. Bislang war es üblich, derartige Modelle aus Nickel mit konventionellen Techniken wie Drehen, Fräsen oder Erodieren herzustellen. Um nahe an den realen Bedingungen für den Raumtransporter zu bleiben, war hier jedoch ein Hohlkörpermodell gefragt. Für diese anspruchsvolle Geometrie empfahl sich die generative LaserCUSING-Technik mit Titanpulver, die das Systemhaus Technik des DLR in Köln-Porz-Wahnheide bereits seit fast 1,5 Jahren voll auslastet.

Entwicklungsaufwand des Modells


Bevor ein Bauteil im Windkanal „fliegen“ darf, muss es alle Qualitätsanforderungen bis zu 300% erfüllen. Da das Metall-Laserschmelzverfahren noch eine sehr junge Technologie ist, beschäftigt sich das DLR deshalb vor allem mit den Themen Festigkeit und thermischer Verzug von lasergeschmolzenen Bauteilen, parallel dazu mit der Prozesssicherheit. Aus diesem Grunde wird die M2 cusing Anlage beim DLR in Köln-Porz-Wahnheide als Materialentwicklungsplattform und Arbeitsstation in einem genutzt. „Spannungen im Bauteil lassen sich reduzieren durch Anpassung der Prozessparameter, konstruktive Anpassungen, Materialoptimierung sowie Wärmebehandlung“, erläutert dazu Jürgen Mengering. Aufgabe von Jürgen Mengering ist es, durch die Variation der genannten Stellschrauben optimale und reproduzierbare Werkstoffeigenschaften bei lasergeschmolzenen Bauteilen auszuarbeiten. Als Vorbereitungen für den Windkanal, werden Zugproben, Streckproben und Schliffbilder angefertigt, die dann über Zug- und Streckversuche, sowie Untersuchungen mit einem Computertomographen ausgewertet werden. Das ALPHA-Modell ist ein Projekt, bei dem eine Porosität von 0,02% und eine Oberflächenrauigkeit Ra 7-8 nach dem Prozess erzielt wurden. Über einen nachgelagerten Strahlprozess konnte die geforderte Oberflächenrauigkeit von Ra 1,6 problemlos erreicht werden. Einem Flug im Windkanal steht somit nichts mehr im Wege.

 Phoenix-Modell
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Qualitätssicherung: Die QM-Module, die Concept Laser anbietet, ermöglichen die Überwachung und Regelung verschiedener Anlagenzustände wie Laserleistung, Atmosphäre und die Sicherstellung der Pulverqualität. Ein weiterer Kernpunkt für die Luftfahrtindustrie ist die Überwachung und Auswertung des Bauprozesses. „Den Grundstein für ein prozesssicheres System hat Concept Laser mit der Entwicklung der Schmelzpoolüberwachung bereits gelegt“, so Markus Boje, der überzeugt davon ist, dass Concept Laser auf dem Gebiet der Prozesssicherheit in den nächsten Jahren noch hervorragende Tools auf den Markt bringen wird.

Geometriefreiheit plus Geschwindigkeit


Nach Auskunft von Markus Boje setzt das DLR strategisch auf das LaserCUSING-Verfahren. Besondere Potentiale dieser generativen Technik sieht Markus Boje zum einen in der hohen Geschwindigkeit des Teileaufbaus. Da ein Bauteil, als Daumenwert, nur 5% der Aufwendungen bedeutet, aber der Versuchsaufbau rund 9% der Kosten ausmacht, ist es nötig, sehr schnell hochwertige Bauteile generativ zu fertigen und zu modifizieren. Die hohe Geschwindigkeit des Teileaufbaus drückt enorm die Kosten und wirkt sich gleichzeitig positiv auf den Entwicklungsvorsprung aus. Nach Auskunft von Markus Boje sinken die Kosten nicht etwa linear, sondern sogar exponentiell durch den Einsatz der LaserCUSING-Technik. Besonderer Pluspunkt: Das LaserCUSING-Verfahren bietet einen hohen Grad an Geometriefreiheit. Wie beim ALPHA-Modell können mit diesem Verfahren Geometrien realisiert werden, die bisher nicht gebaut werden konnten, wie zum Beispiel individuell ausgelegte, innen liegende Kühlkanäle oder Hohlkörper. Boje schätzt die Entwicklung dieser Technik in der Luft- und Raumfahrt vor allem bei rotierenden Triebwerkselementen als stark ansteigend ein.

Parallel dazu steigen die Anforderungen, sowohl bei Bauraumgrößen, als auch bei hybriden Teilen. Hybridteile können zum Beispiel als Stahlteile mit Kupfer vereint werden. Das Kupfer dient dabei zur gezielten Wärmeabfuhr. Zur Verbesserung der Oberflächengüte sind beim DLR derzeit verschiedene Verfahren in der Erprobung: Beschichten, Elektropolieren, automatisierte Schleifprozesse und Strahlverfahren. Die Zusammenarbeit mit Systempartner Concept Laser ist in Bezug auf verfahrenstechnische Unterstützung ausgezeichnet und das Potential der Technik steckt erst in den Kinderschuhen, wie Markus Boje es sieht: „Wir befinden uns mit LaserCUSING nicht nur in einem kontinuierlichen Verbesserungsprozess, sondern letztlich in einem kontinuierlichen Kreativitätsprozess, um den Ideen von morgen in Teilen Gestalt zu geben.“

Informationsblock A: DLR-Prototypenbau


Das Systemhaus Technik West des DLR in Köln-Porz befasst sich als Dienstleister im Wesentlichen mit dem Prototypenbau und Werkstoffprüfungen der Metallurgie für Anwendungen der Luft- und Raumfahrttechnik. Darunter sind rotierende Triebwerksanwendungen für Rolls-Royce oder Airbus, ebenso wie der Modellbau. Der Entwicklungsprozess wird hinsichtlich Zeitvorteile, Geometriefreiheiten und unter Kostengesichtspunkten durch die LaserCUSING Technik enorm verbessert. Die zukünftigen Anforderungen an das LaserCUSING wachsen weiter: Größere Teile, Mehrkomponenten-Laserschmelzen für besondere thermische Anforderungen, effektive Prozesskontrolle, Materialentwicklungen, höhere Präzision und Oberflächengüten.

Informationsblock B: ALPHA


ALPHA gehört zum EU-Projekt FAST20XX, welches durch das 7. Rahmenprogramm der Europäischen Kommission finanziert und von der europäischen Weltraumagentur ESA geführt wird. FAST (Future High-Altitude High-Speed Transport) hat zum Ziel das Know-how und die Technologien für den suborbitalen Raumflug weiterzuentwickeln. Nach der Ära der NASA-Space Shuttles, soll ALPHA das Transport- und Logistikprinzip der bemannten Raumfahrt für die Europäische Weltraumorganisation ESA sicherstellen.

 Phoenix-Raumgleiter
zum Bild Phoenix-Raumgleiter

ALPHA soll als 1.000 kg schweres und 9 m langes skaliertes  Aluminium-Modell Flugversuche unternehmen, um bis zur nächsten Dekade einsatzfähig sein. Es ist vorgesehen,  das Fahrzeug mit Hilfe eines Frachtflugzeuges in großer Höhe auszusetzen, um es anschließend durch Zündung des Raketentriebwerks auf eine suborbitale Flugbahn zu bringen. Nach Erreichen der maximalen Flughöhe von etwa 100 km kehrt es im Gleitflug zum Abflugort zurück und landet vollautomatisch. Partner des ambitionierten Projekts sind das DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrttechnik, Köln) und die EADS Space Transportation, Bremen. Das Systemhaus Technik-West des DLR befasst sich projektbegleitend mit dem Prototypenbau und Werkstoffprüfungen in Köln-Porz-Wahnheide.

Hintergrundinfo LaserCUSING®       


Mit dem LaserCUSING® -Verfahren werden mechanisch und thermisch belastbare metallische Bauteile mit hoher Präzision erstellt. Zum Einsatz kommen je nach Anwendung Edel- und Werkzeugstähle, Aluminium- oder Titanlegierungen, Nickelbasierte Superlegierungen, Kobalt-Chrom-Legierungen oder auch Edelmetalle wie Gold- oder Silberlegierungen. Beim LaserCUSING® wird feines pulverförmiges Metall durch einen hochenergetischen Faserlaser lokal aufgeschmolzen. Nach dem Erkalten verfestigt sich das Material. Die Bauteilkontur wird durch Ablenkung des Laserstrahls mittels einer Spiegelablenkeinheit (Scanner) erzeugt. Der Aufbau des Bauteils erfolgt Schicht für Schicht (mit einer Schichtstärke von 20 – 50μm) durch Absenkung des Bauraumbodens, Neuauftrag von Pulver und erneutem Schmelzen.

Die Besonderheit der Anlagen von Concept Laser ist eine stochastische Ansteuerung der Slice-Segmente (auch „Islands“ genannt), die sukzessive abgearbeitet werden. Das patentierte Verfahren sorgt für eine signifikante Reduktion von Spannungen im Bauteil. Für eine einteilige Herstellung steht ein maximaler Bauraum von 300 x 350 x 300 mm zur Verfügung.


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