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Forschungsprojekt Breitbahn DED

Exafuse leistet einen aktiven Beitrag zu einem bedeutenden Forschungs- und Entwicklungsprojekt zur Weiterentwicklung des Laserauftragschweißens (LMD / DED-LB/M).

August 2024

Exafuse treibt LMD-Technologie im Forschungsprojekt 'BreitbahnDED' voran

Offiziell betitelt "Anlagen- und Prozessentwicklung zur Generierung von breiten Schweißbahnen beim Laserauftragschweißen mit Multispotoptiken / BreitbahnDED", zielt diese Kooperation darauf ab, Systeme zu entwickeln, die breitere Materialschichten effizienter und mit höherer Qualität als bisherige Verfahren auftragen können.

Dieses Kooperationsvorhaben wird gefördert durch das EFRE/JTF-Programm NRW 2021-2027 aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und des Just Transition Fund (JTF) im Rahmen des Wettbewerbsaufrufs "Industrie.IN.NRW – Innovative Werkstoffe und Intelligente Produktion".

Die Herausforderung: Grenzen konventioneller LMD-Bahnbreiten

Das Laserauftragschweißen bietet erhebliche Vorteile für die Herstellung, Beschichtung und Reparatur von Metallbauteilen. Die Auftragsgeschwindigkeit für große Flächen ist jedoch oft durch die geringe Breite (typischerweise 1-4 mm) einzelner Schweißbahnen begrenzt. Der Aufbau großer Volumina oder die Beschichtung ausgedehnter Oberflächen erfordert zahlreiche überlappende Bahnen. Dieser Prozess ist zeitaufwändig und birgt potenzielle Schwachstellen oder Ungleichmäßigkeiten an den Überlappungszonen. Eine einfache Vergrößerung des Laserfokus und der Leistung kann nachteilige Effekte wie ungleichmäßige Wärmeverteilung, Schmelzbadinstabilitäten, unerwünschte Materialverformung und erhöhte Betriebskosten verursachen.

Die innovative Lösung: Rotierende Multispotoptiken für breite Bahnen

Ein neues Kapitel beginnt - ThinkIng positioniert sich unter den Marken exafuse & Creative Polymer

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Das Projekt "BreitbahnDED" begegnet dieser Herausforderung mit einem grundlegend neuen Ansatz: dem Einsatz rotierender Multispotoptiken.

Anstelle eines einzelnen Laserstrahls wird der Strahl in mehrere einzelne Spots aufgeteilt. Diese Spots werden dann mittels spezieller optomechanischer Systeme in eine schnelle Rotation versetzt.

Dieses innovative Verfahren zielt darauf ab:

  • Deutlich breitere, gleichmäßige Auftragsbahnen zu erzeugen (Ziel: initial 5 mm, potenziell bis zu 10 mm).
  • Ein definiertes, regelbares und homogeneres Temperaturfeld über die gesamte Bahnbreite zu schaffen, um schädliche Wärmespitzen zu vermeiden und ein stabiles Schmelzen zu fördern.
  • Dies effizient zu erreichen, ohne unverhältnismäßig hohe Gesamtlaserleistung zu benötigen.

Wichtige technologische Entwicklungen im Projekt umfassen:

  • Einen neuartigen LMD-Bearbeitungskopf, der die rotierende Multispotoptik integriert.
  • Ein optimiertes, hochdynamisches Pulverfördersystem mit totzeitkompensierter Regelung für präzise Materialzufuhr.
  • Die Integration multimodaler Sensorsysteme (CMOS-Kameras, Pyrometer, Triangulationssensoren) zur umfassenden Prozessüberwachung.
  • Die Entwicklung anspruchsvoller Echtzeit-Regelungsalgorithmen zur Schmelzbadstabilisierung und adaptiven "Schicht-zu-Schicht-Regelung" (Layer-to-Layer Control) zur Sicherstellung konsistenter Aufbauqualität.

Erwartete Ergebnisse und Vorteile

Die erfolgreiche Implementierung der BreitbahnDED-Technologie verspricht wesentliche Verbesserungen:

  • Gesteigerte Produktivität: Signifikante Reduzierung der Bearbeitungszeit für große Bauteile und Beschichtungen, Schätzungen deuten auf mögliche Zeiteinsparungen von 30-50% hin.
  • Verbesserte Qualität und Konsistenz: Gleichmäßigerer Schichtauftrag mit weniger Bahnüberlappungen, wodurch potenzielle Fehlerquellen reduziert werden.
  • Erweiterte Materialfähigkeit: Präzises Wärmemanagement ermöglicht die Verarbeitung anspruchsvoller, rissanfälliger Legierungen durch kontrollierte Aufheiz- und Abkühlprofile.
  • Höhere Ressourceneffizienz: Erhöhte Pulverausnutzung (Ziel: >95%) und potenziell geringerer Energieverbrauch pro Bauteil durch schnellere Verarbeitung.
  • Reduzierte Fertigungskosten: Bedingt durch schnellere Produktionszyklen, weniger Materialabfall und optimierten Energieeinsatz.

Kollaborative Expertise: Das Projektkonsortium

Dieses Projekt vereint ein starkes Konsortium aus Forschungseinrichtungen und Industriespezialisten:

  • P1 (Projektkoordination): Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik (LAT), Bochum
  • P2: LMB Automation GmbH (LMB), Iserlohn
  • P3: Kamp und Kötter GmbH (KK), Bochum
  • P4: Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Regelungstechnik und Systemtheorie (RUS), Bochum
  • P5: ThinkIng – Additive Technology GmbH (TI - Exafuse), Bochum

Exafuses Beitrag: Brückenschlag zwischen Forschung und Anwendung

Als ThinkIng – Additive Technology GmbH (TI / P5) bringt Exafuse seine umfassende praktische Expertise aus der Anwendung von LMD für großvolumige Bauteile, anspruchsvolle Verschleißschutzbeschichtungen und die Verarbeitung diverser Legierungen ein. Unsere Schlüsselrollen im Projekt umfassen:

  • Input für das Systemdesign und die Simulation basierend auf industriellen Anwendungsanforderungen.
  • Mitwirkung bei der Hardware- und Softwareintegration.
  • Eine signifikante Rolle bei der Validierung und iterativen Optimierung des Prototypensystems und -prozesses. Dies beinhaltet die Durchführung anwendungsorientierter Tests, insbesondere mit Fokus auf große Bauteile und herausfordernde Werkstoffe, um sicherzustellen, dass die entwickelte Technologie den realen Fertigungsanforderungen gerecht wird.

Förderhinweis

Dieses Forschungsprojekt wird kofinanziert durch die Europäische Union aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und dem Just Transition Fund (JTF) im Rahmen des EFRE/JTF-Programms Nordrhein-Westfalen (EFRE/JTF-Programm NRW) 2021-2027.

Mehr über LMD

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