Laser-Draht-Auftragschweißen in Schwerelosigkeit
Das Laser-Draht-Auftragschweißen nutzt einen Laser als Energiequelle, um einen Metalldraht zu schmelzen und auf eine ebenfalls vom Laser erhitzte metallische Oberfläche aufzutragen. Durch das schichtweise Auftragen und anschließende Erstarren der Schmelze entsteht ein dreidimensionales Bauteil, ähnlich dem Prinzip eines 3D-Druckers, der Kunststoffe extrudiert. Während die additive Fertigung von Kunststoffteilen bereits erfolgreich auf der Internationalen Raumstation (ISS) erprobt wurde, ist die (technisch bedeutsamere) Fertigung von Metallbauteilen bisher noch nicht untersucht worden. Unser Projekt zielt darauf ab, das Verfahren des Laser-Draht-Auftragschweißens für Weltraummissionen in Schwerelosigkeit sowie für Anwendungen bei reduzierter Schwerkraft (z. B. auf dem Mond oder Mars) zu entwickeln. Dies könnte es ermöglichen, benötigte Bauteile direkt vor Ort, etwa auf Raumstationen oder bei zukünftigen Mond- und Marsmissionen, herzustellen. Dadurch würde die Flexibilität erhöht und die Menge der mitzuführenden Ersatzteile reduziert.
Die wesentlichen Einflussfaktoren auf das Prozessergebnis umfassen neben materialspezifischen Eigenschaften wie Schmelzpunkt und Absorptionsverhalten auch Prozessparameter wie Laserleistung, Strahlprofil, Vorschubgeschwindigkeit, Drahtzufuhr und Schutzgasstrom. Die Optimierung dieser Parameter ist Gegenstand umfangreicher Forschungsarbeiten. Obwohl der Prozess auf der Erde bereits gut untersucht und in vielen Fällen technisch beherrscht wird, ist das Verhalten unter Schwerelosigkeit weitgehend unerforscht. In der Schwerelosigkeit entfallen gravitationsgetriebene Konvektionseffekte, und das Zusammenfließen der Metallschmelze wird nicht mehr durch die Schwerkraft unterstützt. Erste Studien zum Lichtbogenschweißen unter Mikrogravitation haben gezeigt, dass Schwerelosigkeit einen deutlichen Einfluss auf die Form des Schmelzbads, die Erstarrung und das Verhalten von Blasen in der Schmelze hat. Auch beim Laserstrahlschweißen sind signifikante Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf den Prozess nachgewiesen worden, jedoch gibt es bisher keine Untersuchungen zum Laser-Draht-Auftragschweißen in diesem Umfeld.
Unsere Versuche werden mit einem 500-W-Faserlaser durchgeführt. Neben Aluminium wird auch Titan als Werkstoff verwendet, da dieses für Raumfahrtanwendungen besonders relevant ist und gute Schweißeigenschaften aufweist. Nach erfolgreichen Tests ohne und mit aufgesetztem Schweißdraht während des 43. DLR-Parabelflugs planen wir in dieser Versuchskampagne, den Draht über einen Fördermechanismus zuzuführen und so die aufgetragene Materialmenge zu steuern. Zudem soll erstmals ein mit Tracern versetzter Draht verschweißt werden, um die Dynamik des Schmelzprozesses sichtbar zu machen.
Die in situ Beobachtung des Schmelzprozesses erfolgt mittels der speziell für Schwerelosigkeit entwickelten Röntgenanlage HORUS. Diese ermöglicht es, das Schmelzbad mithilfe von Röntgenstrahlen zu durchleuchten und einen Film des fortlaufenden Prozesses zu erstellen. Nach den Experimenten wird eine metallografische Auswertung der Schmelzbaddimensionen vorgenommen. Durch den Abgleich mit den experimentellen Ergebnissen soll die Simulation des Schmelzprozesses kontinuierlich verbessert werden, sodass quantitative Übereinstimmung erreicht wird. In nachfolgenden Experimenten soll dann die prädiktive Leistungsfähigkeit der Simulation umfassend getestet werden.