Lektion 8.7UrformenKapitel 8 · Additive Fertigung

Auftragschweißen mit gerichteter Energie (DED/LMD)

Ein Laser schmilzt ein Bad auf dem Teil; aufgeblasenes Pulver fügt Metall hinzu (Directed Energy Deposition)

Beim Directed Energy Deposition (DED) wird Metall hinzugefügt, indem es genau dort geschmolzen wird, wo es landet, wie ein Schweißbrenner, der aufbaut statt verbindet. Beim Laser Metal Deposition (LMD), der häufigsten Form, schmilzt ein Laser ein winziges Bad, und eingeblasenes Pulver wird zu neuem Metall. Es ist das Verfahren der Wahl, um teure verschlissene Teile zu reparieren und an bestehenden Teilen Merkmale anzufügen.

Foto: Lucie Prokešová, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Laser Metal Deposition · Kopf im Querschnitt und eine Reparatur, 5 SchritteOben: ein Schnitt durch den Kopf, der sich nach rechts bewegt. Unten: eine typische Reparatur. Die eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten.

So funktioniert es

Ein kleines Bad schmelzen. Ein gebündelter Laserstrahl, meist hunderte Watt bis einige Kilowatt, schmilzt eine Stelle auf dem Teil. Dieses Schmelzbad (eine winzige Pfütze flüssigen Metalls) ist einige Millimeter breit.
Das Pulver einblasen. Düsen rund um den Strahl blasen feines Metallpulver ins Bad. Argon (ein Inertgas) trägt das Pulver und schützt das heiße Metall vor Luft.
Die Raupe erstarren lassen. Das Pulver schmilzt ins Bad. Während der Kopf weiterfährt, kühlt das Metall dahinter in einem Bruchteil einer Sekunde zu einer Raupe ab (einer erhabenen Spur neuen Metalls).
Die Lage abfahren, dann eine Stufe höher. Ein Roboter oder eine 5-Achs-Maschine (eine, die das Teil auch kippen und drehen kann) führt den Kopf entlang der Bahn jeder Lage. Dann steigt er eine Lage höher und wiederholt.
Auf Maß bearbeiten. Die Oberfläche kommt gerippelt und leicht übermaßig heraus, daher wird das Teil in seine Endform gefräst oder geschliffen. Bei einer Reparatur stellt das die ursprüngliche Kontur wieder her.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Schweißbare Metalle: Titanlegierungen, Nickelsuperlegierungen (hitzebeständige Legierungen für Strahltriebwerke), Edel- und Werkzeugstähle, Kobalt- und Kupferlegierungen. Das Mischen zweier Pulver kann ein Metall stufenlos in ein anderes überführen
Typische Teile: Reparierte Turbinenschaufeln, Wellen und Formen; verschleißfeste Beschichtungen; an bestehende Teile angefügte Merkmale; endkonturnahe Rohlinge (nahe an der Endform, mit nur leichter Bearbeitung)
Bauteilgröße: Von wenigen Millimetern Reparatur bis zu Teilen über 1 m, begrenzt durch die Reichweite des Roboters oder der Maschine
Präzision: Etwa ±0,5 mm im Auftragszustand; die Endbearbeitung bringt es auf etwa ±0,05 mm
Oberfläche: Im Auftragszustand rau und gerippelt; glatt erst nach der Bearbeitung
Geeignete Losgröße: Einzelstücke, Reparaturen und Kleinserien
Werkzeug- und Maschinenkosten: Kein Werkzeug. Industrielle Lasersysteme kosten meist einige hunderttausend bis über eine Million Dollar
Geschwindigkeit: Meist etwa 0,1–2 kg Metall pro Stunde: schneller als das Pulverbettverfahren, langsamer als WAAM

Stärken und Grenzen

Stärken

Fügt bestehenden Teilen Metall hinzu, sodass verschlissene Teile repariert werden können
Baut große Teile ohne Pulverbett
Kann Metalle innerhalb eines Teils wechseln oder mischen
Ein kippbarer 5-Achs-Kopf baut viele Überhänge ohne Stützen

Grenzen

Raue Oberflächen: Fast jedes Teil muss anschließend bearbeitet werden
Gröbere Details als beim Pulverbettverfahren: keine feinen Gitterstrukturen oder winzigen Löcher
Wärme verursacht Spannungen und Verzug, die beherrscht werden müssen
Teure Laser, und feines Metallpulver ist eine Brand- und Atemgefahr

Wo es eingesetzt wird

Luft- und RaumfahrtReparatur von Turbinenschaufelspitzen und Blisks (einteilige beschaufelte Scheiben); Titan-Vorformen
EnergieerzeugungInstandsetzung verschlissener Turbinen- und Pumpenteile
Öl und GasVerschleiß- und korrosionsbeständige Auftragsschichten auf Bohrwerkzeugen und Ventilen
WerkzeugbauReparatur und Änderung von Formen und Werkzeugen, statt sie zu ersetzen
SchwerindustrieWiederaufbau verschlissener Wellen, Rollen und Zahnräder

So erkennen Sie es

Feine, parallele Rippel auf der Oberfläche, eine für jede Raupe, die bei einem Durchgang des Kopfes gelegt wurde.
Eine Grenzlinie, an der neues Metall auf das ursprüngliche Teil trifft, sichtbar an einem Schnitt oder einer polierten Fläche.
Bearbeitete Flächen direkt neben rauen, welligen am selben Teil.
Dicke Wände mit gerundeten, raupenförmigen Kanten statt scharfer Ecken.

Im Vergleich mit

Laser-Pulverbettschmelzen8.4schmilzt ebenfalls Metallpulver mit einem Laser, aber in einer dünnen, ausgebreiteten Schicht: feinere Details, kleinere Teile, keine Reparaturen.WAAM8.8dieselbe Aufbauidee mit einem Schweißlichtbogen und Draht: günstiger und schneller, aber gröber.Lichtbogenschweißen7.1DED ist im Kern automatisiertes Schweißen, bei dem Raupen zu einer Form gestapelt werden, statt eine Fuge zu füllen.

Ansehen

3Dnatives · Eine zweiminütige Einsteigertour durch DED, seine Werkstoffe und Anwendungen

AM Media | The Cool Parts Show · Ein Experte vergleicht Pulver- und Drahtzufuhr und erklärt, warum 5-Achs-Köpfe keine Stützen brauchen

AM Media | The Cool Parts Show · Echte Reparaturarbeit: Neues Metall auf verschlissenen Schaufelspitzen aufgetragen

Vision Miner · Die drahtgespeiste Version des Laserauftrags bei der Arbeit

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Directed Energy Deposition — wie die pulver- und drahtgespeisten Versionen funktionieren; wenige Fotos
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

DED schmilzt Metall genau dort, wo es hinzugefügt wird, mit einer gebündelten Wärmequelle und Pulver oder Draht.
Es glänzt bei Reparatur und Ergänzung bestehender Teile und beim Bau großer, rauer Formen.
Bearbeitung einplanen: Teile kommen gerippelt und leicht übermaßig aus der Maschine.