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2.2 Auftragsschweißen und Hochgeschwindigkeitsfräsen in Kombination

Ziel des Projektes ist die Konzeptionierung und der Aufbau einer Hybridanlage für das formgebende Laserauftragsschweißen in einer Hochgeschwindigkeitsfräsanlage. Realisiert auf Basis einer 5-Achs HSC Anlage der Firma Röders ist die Anlage als industrietaugliche Lösung mit voll integrierten Laserfunktionen umgesetzt.
Zu den zentralen Merkmalen der Anlage zählen:

Integration eines Laserschweißkopfes für das Auftragsschweißen von Pulvern in die Z-Achse der Fräsanlage unter Erhaltung des vollen Arbeitsraumes. Der Laserkopf wird für die Fräsbearbeitung in die Abdeckung der Z-Achse zurückgezogen Einkopplung eines externen Lasers über einen Lichtwellenleiter ermöglicht die anderweitige Nutzung des Lasers während der Fräsbearbeitung Sperrgebläse und spezielle Faltenbälge schützen die Führungen vor Pulver und Beschädigung durch Laserstrahlung Uneingeschränkte Funktionalität als HSC Fräsanlage Integration einer Pulverfördereinheit mit derzeit zwei Fördertöpfen für die Kombination unterschiedlicher Zusatzwerkstoffe in einem Bauteil Innerhalb eines NC-Programms kann beliebig zwischen Laser- und Fräsbearbeitung gewechselt werden Simultane 5-Achs Bearbeitung ist mittels Dreh- Schwenktisch (400 mm) sowohl für das Laserschweißen als auch für das Fräsen möglich. Die Steuerung der Anlage wechselt zwischen unterschiedlichen 5-Achs Transformationen

In Verbindung mit dem formgebenden Laserauftragsschweißen eignen sich HSC-Fräsanlagen aus den folgenden Gründen am besten als Basis einer Hybridanlage:

In der Regel entfällt die Schruppbearbeitung, da die Konturen größtenteils mittels dem formgebenden Laserauftragsschweißen auf ca. 0,5 mm genau erzeugt werden. Beim Laserauftragsschweißen werden keinerlei Kräfte übertragen, so dass die dynamischen HSC Maschinen voll genutzt werden können Um eine zwischen Auftragsschweißen und Fräsen alternierende Bearbeitung zu ermöglichen, muss das Fräsen ohne Schmier und Kühlstoffe möglich sein Laserauftragsschweißungen erlauben den gezielten Einsatz hochfester Werkstoffe für die Realisierung verschleißbeständiger Werkstückoberflächen. Diese können durch HSC Verfahren bearbeitet werden.

Der Prozess
Beim formgebenden Laserauftragsschweißen wird ein dreidimensionaler Bauteil aus einzelnen Schweißlagen aufgebaut. Sowohl das Grundsubstrat auf das aufgeschweißt wird, als auch die Schweißlage selbst können dabei als Freiformflächen ausgeführt sein. Dies ermöglicht problemloses Aufbringen auf bereits bestehende Bauteile.
Mit dem Laserauftragsschweißen lassen sich Genauigkeiten von 0,5 mm und Strukturen bis hinunter zu 1 mm direkt realisieren.
Der Einsatz von pulverförmigen Schweißzusatzwerkstoffen erlaubt einerseits das Mischen unterschiedlicher Werkstoffe während des Prozesses oder aber den einfachen automatischen Wechsel des Werkstoffes innerhalb einer Schweißlage. Neben Volumina mit gradierten Zusammensetzungen lassen sich so ganze Bauteile aus einer Kombination unterschiedlichster Werkstoffe rasch und automatisiert herstellen.
Der Einsatz hochfester Werkstoffe ergibt in Verbindung mit dem hochqualifizierten Schweißprozess porenfreie, hochfeste den jeweiligen Belastungsanforderungen angepasste Bauteile.
Ein in den Laserkopf integriertes Pyrometer zur Messung der Schmelzbadtemperatur dient zur lückenlosen Überwachung und Regelung des Schweißprozesses und verhindert an exponierten Stellen ein Überhitzen des Bauteils.
Die Kombination mit der Fräsfunktion erlaubt nicht nur ein abschließendes Überfräsen der aufgeschweißten Bauteile. Als Zwischenschritt schafft das Fräsen einerseits eine definierte Fläche für das nachfolgende Schweißen, ermöglicht aber auch die Realisierung kleiner Eckenradien an schwer zugänglichen Stellen. Hierfür wird der entsprechende Bereich vor der Fertigstellung des Bauteils lokal überfräst, wobei aufgrund der in diesem Zwischenstadium sehr guten Zugänglichkeit sehr kleine und kurze Fräser problemlos eingesetzt werden können. Die gute Zugänglichkeit ermöglicht darüber hinaus die Verwendung einfacher Frässtrategien und erspart aufwendige Programmierung komplexer Anstellbewegungen.

Anwendungen
Neben den klassischen Anwendungen im Verschleißschutz bei denen die Oberflächen von Werkzeugen mit wenigen Millimetern einer extrem verschleißbeständigen Panzerung versehen werden, wird derzeit an der Umsetzung des Hybridverfahrens im Formen- und Werkzeugbau  gearbeitet.
Das formgebende Laserauftragsschweißen eignet sich vor allen Dingen zur Änderung oder Ergänzung an bestehenden Formen oder der Herstellung kleiner Formeinsätze.
Die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe in Verbindung mit dem Hybridprozess erlaubt die Realisierung von Einsätzen mit hochtemperaturleitfähigen Wärmeleitungsbahnen aus Kupfer direkt unterhalb einer Oberfläche aus hochwarmfesten Legierungen.
Den Grundkörper des Werkzeuges bildet dabei ein vorgefertigter Grundkörper, der aus einer duktilen, leicht zerspanbaren Legierung vorgefertigt wird.
Das Entwicklungsziel sieht die Herstellung von Hochleistungswerkzeugen vor, deren Mehrwert in kürzeren Taktzeiten und einem optimierten Wärmehaushalt zur Erzielung höherer Gussteilqualitäten liegt. Ein weiteres Entwicklungsziel der derzeitigen Arbeiten ist die Realisierung von tiefen schmalen Nuten bis ca. 1 mm Breite sowie von Innen- Eckenradien unter 0,5 mm Radius an schwer zugänglichen Stellen ohne Erodieren. Das alles bei Bauteiltoleranzen und Oberflächengüten wie sie aus der reinen HSC Bearbeitung bekannt sind und mit einem Verfahren welches sich für ein echtes Rapid Tooling eignet.


Das Projekt wurde vom Amt der Steiermärkischen Landesregierung aus Mitteln der EFRE-Kofinanzierung, aus Mitteln des Landes und der EU gefördert.

Hybridanlage mit ausgefahrenem Laserbearbeitungskopf
Mittels simultan 5-achsiger Bearbeitung generierter Bauteil
Kombination unterschiedlicher Werkstoffe in einem lasergenerierten Bauteil
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