Forschung
© Fraunhofer IPT
23.02.2022

Laserauftragschweißen: Optische Kohärenztomografie verbessert Prozessstabilität

Laserauftragschweißen: Optische Kohärenztomografie verbessert Prozessstabilität

Prozessstabilität und -kontrolle sind beim Laserauftragschweißen von großer Bedeutung: Auf Störungen und Abweichungen muss idealerweise sofort und ohne Verzögerung reagiert werden, um Prozessabbrüche zu verhindern. Hier sind maschinenintegrierte Überwachungssysteme gefragt, die die Prozesse an Ort und Stelle prüfen und Korrekturen veranlassen können. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen hat mit Partnern aus Industrie und Forschung das bildgebende Verfahren der optischen Kohärenztomografie (OCT) in einen koaxialen Prozess zum Laserauftragschweißen von Draht integriert. Die OCT kann den Schweißvorgang nicht nur aufzeichnen, sondern die Qualität im laufenden Prozess kontrollieren und so Ausschuss reduzieren. Das LMD-w soll damit in Zukunft als vollwertiges 3D-Druckverfahren genutzt werden.

Das Laserauftragschweißen von Draht (Wire-based Laser Metal Deposition, kurz: LMD-w) ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein Metalldraht als Zusatzwerkstoff mithilfe eines Lasers in Schweißraupen auf einem Werkstück aufgeschweißt wird. Mehrere dieser Schweißraupen nebeneinander ergeben eine Schicht, mehrere Schichten aufeinander ein Bauteil. Da beim LMD-w nur dort Werkstoff aufgetragen wird, wo er gebraucht wird, zählt es zu den ressourcenschonenden Verfahren. Die aufwendige Prozessentwicklung und die geringe Prozessstabilität verhinderten jedoch bisher einen breiteren industriellen Einsatz, der über spezielle Reparaturverfahren oder das Aufbringen von Verschleißschutzschichten hinausgeht.

Im Forschungsprojekt „TopCladd – Adaptive Laser Cladding for Precise Metal Coating Based on Inline Topography Characterization“ haben die Aachener Forschungspartner erstmals ein koaxiales LMD-w-System mit einem OCT-System versehen, um den Laserprozess zu stabilisieren und aktiv zu regeln. Die OCT, die ihren Ursprung in der Augenheilkunde findet, ist ein Messverfahren zur berührungslosen und hochaufgelösten Darstellung tomographischer Schnittbilder, das auf kurzkohärenter Interferometrie basiert. In Kombination mit einer hohen Messfrequenz kann anhand der OCT die Oberflächenqualität der Auftragsschweißnaht direkt im Prozess geprüft und verbessert werden.

© Fraunhofer IPT
© Fraunhofer IPT
Laserauftragschweißen plus OCT – der Weg zur Prozessstabilität

Die Qualität beim Laserauftragschweißen hängt vor allem von der Oberfläche der Schweißnaht ab: je welliger, desto geringer die Bauteilqualität. Um den Prozess des Laserauftragschweißens stabiler zu machen und eine qualitativ hochwertige Schweißnaht zu fertigen, müssen die Prozessschritte einzeln aufgenommen werden. Qualitativ mangelhafte Schweißnähte können dann nachträglich ausgebessert und der Schweißprozess für zukünftige Fertigungen angepasst werden. Die OCT ist in der Lage, die Oberfläche der Schweißnaht im Phasenübergang von fest zu flüssig zu überprüfen und damit die Ausprägung der finalen Schweißraupengeometrie zu bestimmen. Anhand der gewonnenen Daten lässt sich der Laserprozess gegebenenfalls in der benachbarten oder darüberliegenden Schweißraupe anpassen.

Um die Vorteile der OCT für den Prozess des Laserschweißens zu nutzen, integierten Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher das OCT-System koaxial in den Bearbeitungskopf des Lasers. Der Laser zur Bearbeitung und das OCT-System nutzen dabei eine gemeinsame Optik, interferieren aber aufgrund ihrer unterschiedlichen Wellenlängen nicht. Die Koaxialität des Bearbeitungs- und Messlichts wird durch die Verwendung eines sogenannten Axikons, einer kegelförmigen Linse, sowie einiger prismenförmiger Optiken gewährleistet. Dieses optische Design ermöglicht es, dass der Messlaser die aufgetragene Schweißnaht um den zentral verlaufenden Metalldraht herum kreisförmig abtasten kann. So gelingt eine multidirektionale Messung, unabhängig von der Bewegungsrichtung des Schweißkopfes. Auf diese Weise kann das gesamte Werkstück vermessen werden, ohne dass der Draht das Messlicht blockiert.

Mit OCT zur aktiven Prozessregelung

Die Integration der OCT in den Prozess des Laserauftragschweißens erlaubt es, die Oberflächenstruktur der gesamten Schmelzspur genau abzubilden. Anhand der Prozessdaten, die im Projekt gesammelt wurden, entwickeln die Aachener Forscherinnen und Forscher ein Prozessmodell für eine datengestützte Prozessanpassung und -regelung. Die Laserprozesse werden dadurch robuster, sodass sich eine Vielzahl neuer Anwendungsfelder erschließen lässt. »Mit der OCT können wir beim Laserauftragschweißen in Zukunft nicht nur ein bis zwei Ebenen übereinander aufbringen, sondern beliebig viele Schichten. Auf diese Weise wird das LMD-w zu einem vollwertigen und nachhaltigen additiven Herstellungsverfahren aufgewertet«, sagt Robin Day, Leiter der Abteilung »Energetische Strahlverfahren« am Fraunhofer IPT.

Das Projekt „TopCladd – Adaptive Laser Cladding for Precise Metal Coating Based on Inline Topography Characterization“ wurde für vier Jahre vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Förderprogramms „M-ERA.Net – flexible und bedarfsgerechte transnationale Förderung im Bereich der Materialforschung“ unter dem Förderkennzeichen 13N14265 gefördert.

Die Projektpartner:
  • Deltatec S.A., Ans, Belgien
  • Dinse GmbH, Hamburg
  • Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen
  • Laserco S.A., Charleroi, Belgien
  • Precitec GmbH & Co. KG, Gaggenau
  • Quada V+F Laserschweißdraht GmbH, Hemer

(Quelle: Presseinformation des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT)

Schlagworte

Additive FertigungLaserauftragschweißenSchweißprozesseSchweißtechnikSchweißverfahren

Verwandte Artikel

Der neue Produktionsprozess mit der EHLA3D-Technologie ermöglicht es, komplexe Geometrien effizient zu produzieren, mit hochfesten Materialien zu beschichten oder zu reparieren.
02.07.2024

Eine neue Dimension der Additiven Fertigung

Vom Laserauftragschweißen zur Additiven Fertigung: Ein Forschungsprojekt hat das Potenzial, die Materialverarbeitung mit EHLA3D zu revolutionieren.

Additive Fertigung EHLA EHLA3D Extremes Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen Fertigungstechnik Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen Kreislaufwirtschaft Laserauftragschweißen Lasertechnologien Luftfahrt Raumfahrt Schweißtechnik Werkzeugbau
Mehr erfahren
Mit dem richtigen Schweißbrenner lässt sich ein optimales Schweißergebnis in Verbindung mit maximaler Produktivität erzielen.
28.06.2024

Wirtschaftlich und prozesssicher schweißen – wie geht das?

Der Schweißbrenner wird oft unterschätzt und ist doch so wichtig für den Schweißprozess. Wie sich ein optimales Schweißergebnis in Verbindung mit maximaler Produktivität...

Schweißbrenner Schweißtechnik Verschleiß
Mehr erfahren
Achim Liebenau, Jens Brill, Hilko Malek, Dirk Zimmermann, Uwe Kloss.
26.06.2024

Brillgruppe übernimmt Korsing Schweißtechnik

Im Zuge einer zukunftsorientierten Nachfolgeregelung gibt die Korsing Schweißtechnik GmbH ihren Zusammenschluss mit der BRILLGRUPPE bekannt. Diese bedeutende Entwicklung...

Arbeitsschutz Handwerksbedarf Industriebedarf Schweißtechnik Schweißzusatzwerkstoffe
Mehr erfahren
Vielseitig einsetzbar: Die Speedglas Schweißmasken der Serie G5-03 sind für unterschiedliche Schweiß-und Schleifaufgaben geeignet.
25.06.2024

Die neue 3M Speedglas Schweißmaske G5-03

3M hat die die fünfte Generation der 3M Speedglas Schweißschutzmasken entwickelt, um besseren Komfort und sichereres Arbeiten zu gewährleisten. Dazu gehört die G5-03 – ei...

Arbeitsschutz Arbeitssicherheit Schweißerhelme Schweißermasken Schweißmasken Schweißtechnik
Mehr erfahren
23.06.2024

Call for Papers für die Tagung ROBOTER 2025

Die Tagung ROBOTER 2025 findet am 18. und 19. Februar 2025 in der Schwabenlandhalle in Fellbach statt. Ab sofort können Vorträge für die Veranstaltung eingereicht werden....

Additive Fertigung Automation Cloud Robotics Cobots Cybersicherheit Digitalisierung Energieeffizienz Fügetechnik Handwerk Industrie Industrieroboter KI Kosteneffizienz Robotik Schweißtechnik
Mehr erfahren