Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
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LMD-W – Additives Verfahren mit 100 Prozent Materialeffizienz

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Seitliche Drahtzufuhr für stabile und effiziente Prozesse

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Laserbearbeitungskopf »LMD-W-20-L«

Intelligentes Bearbeitungsmodul zum drahtbasierten Laserauftragschweißen

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Das Fraunhofer IPT hat ein intelligentes Lasermodul für das Auftragschweißen mit Draht entwickelt, das sich leicht in bestehende Prozessketten, Handhabungssysteme oder Werkzeugmaschinen integrieren lässt und dank seiner robusten Bauweise und intelligenter Sensorik selbst mit Industrierobotersystemen kombiniert werden kann.

Das Laserauftragschweißen mit Draht oder auch »Laser Metal Deposition – Wire«, kurz LMD-W, eignet sich aufgrund des gut handhabbaren Zusatzwerkstoffs Draht besonders gut zur Integration in bestehende Fertigungsanlagen.

Modulare Bauweise für eine kostengünstige Integration in bestehende Systeme

Der kostengünstige Schweißkopf lässt sich aufgrund seiner modularen Bauweise unkompliziert nachrüsten. Er arbeitet mit gängigen Laseroptiken und kommt daher ohne aufwändige Sonderanfertigungen der Strahlführungssysteme aus. Mit der eingebauten Sensorik wird es möglich, typische Störungen im laufenden Prozess zu erfassen, sodass die Ursachen bereits während der Bearbeitung analysiert und von der Steuerung kompensiert werden können.

Seitliche Drahtzufuhr für stabile und effiziente Prozesse

Eine seitliche Zufuhr des Drahts in steilem Winkel von 20° zur optischen Achse gewährleistet stabile Prozesse mit einer hohen Effizienz beim Aufschmelzen. Verfügbare Drahtwerkstoffe sind verschiedene Stahlsorten, nickel- und titanbasierte Legierungen sowie zahlreiche Sonderwerkstoffe. Das Fraunhofer IPT untersucht in mehreren Forschungsprojekten die Eignung weiterer Legierungen.

LMD-W – Additives Verfahren mit 100 Prozent Materialeffizienz

Besonderes Kennzeichen des drahtbasierten Laserauftragschweißens ist die quasi 100-prozentige Materialeffizienz, da der zugeführte Werkstoff vollständig aufgeschmolzen und schichtweise auf die Bauteiloberfläche aufgebracht wird. So lassen sich, mit entsprechender CAM-Unterstützung und in mehrachsiger Prozessführung, zusätzliche Funktionselemente in Hybridbauweise auf bereits bestehende Bauteile aufbauen sowie Reparaturen und Änderungen vornehmen. Eine breite Palette an Drahtzusatzwerkstoffen lässt sich nicht nur sehr kostengünstig, sondern auch konturnah verarbeiten, sodass qualitativ hochwertige Bauteile entstehen.

Technische Spezifikationen

Abmessungen

Höhe: 843 mm
Breite: 373 mm
Tiefe: 201 mm

Gewicht

Gesamtgewicht: 38 kg
Drahtfördermotor: 2,8 kg
Optik: 6,9 kg
Nullpunktspannsystem: 3,4 kg (nicht im Gesamtgewicht enthalten)

Drahtfördermotor

Kompatibel sind gängige Drahtfördermotoren z.B. der Firmen A. Binzel Schweisstechnik GmbH & Co. KG oder Dinse GmbH. Aktuell eingesetzt ist ein Abicor Binzel MF1 mit entsprechendem Drahtfördersystem für Drahtdurchmesser von 1,2 mm.

Laseroptik

Kompatibel sind gängige Laseroptiken ≤ 2“ mit Außenabmessungen (Breite x Tiefe) kleiner 80 mm x 80 mm und einer Fokussierbrennweite von ca. 250 mm. Aktuell wird eine Laserline OTS 5 Laseroptik für Hochleistungsdiodenlaser eingesetzt. Die Optik ermöglicht eine koaxiale Beobachtung der Prozesszone durch eine CCD-Kamera. Die OTS 5 Optik erzeugt einen runden Laserbrennfleck mit einem Durchmesser von 2,1 mm. Die Optik verfügt über einen LLK-D Faserstecker sowie ein Schutzglas.

Drahtzuführung

Die Drahtzuführung erfolgt in einem Winkel von 20° zur optischen Achse. Diese Anordnung erlaubt das stechende Schweißen. Der Drahtfördermotor liegt fluchtend und in geringem Abstand von der Prozesszone, sodass eine knickungsfreie und reibungsreduzierte Drahtzuführung in die Prozesszone ermöglicht ist. Die Drahtzuführung ist durch einen eigenständigen Kanal mit Wasser gekühlt. Zusätzlich wird die Temperatur der auswechselbaren Drahtdüsen überwacht.

Schutzgas

Die Schutzgaszuführung erfolgt ebenfalls in einem Winkel von 20° zur optischen Achse und ist dem Draht entgegengesetzt. Die Schutzgasdüse umschließt teilweise die Drahtdüse. Somit stabilisieren sich Draht- und Schutzgasdüse gegenseitig. Der LMD-W-20-L erhält damit eine hohe Steifigkeit im Bereich von Draht und Schutzgaszuführung und steigert so die Präzision und die Qualität der Auftragschweißungen. Die Schutzgaszuführung enthält zwei Schutzgaskanäle, sodass unterschiedliche Schutzgase angeschlossen werden können. Druck und Temperatur werden ebenfalls überwacht. Auch die Schutzgaszuführung wird über einen eigenständigen Kanal mit Wasser gekühlt.

Positionierung und Handling

Der LMD-W-20-L kann z.B. über ein Nullpunktspannsystem von einem Handling-System aufgenommen werden. Es können zwei Augenschrauben auf der Kopfseite montiert werden, die einen Kraneinsatz ermöglichen. Es befindet sich eine individuell anpassbare Anschlussplatte für einen Kabelschlepp auf der Kopfseite. Die zwei seitlich ausschwenkenden großen Türen ermöglichen eine komfortable Bedienung von Optik, Positioniersystem und Drahtfördermotor. Das Positioniersystem ermöglicht die genaue Relativpositionierung von Laserbrennfleck und Draht.

Kraftmessung und Sensorik

Der LMD-W-20-L verfügt über ein Kraftmesssystem, mit dessen Hilfe die Prozesskräfte aufgezeichnet und in einer Datenbank abgelegt werden können. Beim Überschreiten einer definierten Kraft kann das System den Schweißprozess abbrechen sowie das Handling-System stoppen. Somit können potenzielle Bauteildefekte erkannt und ggf. noch vor eintreten der Prozess gestoppt werden. Des Weiteren bietet dieses System eine effektive Kollisions- und Anschweiß-Erkennung. Während des Auftragschweißens werden die Prozesskräfte farblich an der Stirnseite des Systems visualisiert. Zusätzlich zu den Prozesskräften werden auch die Temperaturwerte sowie der Schutzgasdruck für eine mögliche Datenbank mit aufgezeichnet und von der integrierten Elektronik überwacht.