Fortschritte in der Bimetalltechnik

Bimetallische Abscheidungsfähigkeiten werden häufig als Hauptgrund für den Einsatz der gerichteten Energieabscheidung (Directed-Energy Deposition, DED) in verschiedenen Branchen genannt. Die Kombination mehrerer Materialien in einem massiven Teil eröffnet die Möglichkeit, die Leistung zu verbessern, indem Materialeigenschaften gezielt entsprechend den erforderlichen Leistungseigenschaften in verschiedenen Bereichen des Werkstücks ausgewählt werden. Dieser Vorteil verstärkt sich, je unterschiedlicher die kombinierten Metalle sind und je mehr die Eigenschaften der Teile geändert werden können.

Historisch gesehen war die Verwendung von Kupfer bei Trockenem Auge aufgrund seiner reflektierenden Natur begrenzt. Neue Prozessstrategien haben die frühzeitige Einführung der Beschichtung von Kupferbauteilen ermöglicht. Komplexere Geometrien und die hohen Materialkosten von Kupfer machen es jedoch wünschenswert, auch Kupfer abzuscheiden. Jüngste Fortschritte in der Laserindustrie ermöglichen den Einsatz blauer Laser in DED-Maschinen, die die Abscheidung von fortschrittlicheren Kupferlegierungen sowie reinem Kupfer ermöglichen.

Bei Verwendung von Infrarotlasern (IR = 1.040 nm) beträgt der Absorptionskoeffizient von reinem Kupfer nur etwa 2 %. Daher wurden Kupferlegierungen verwendet, die die Absorption erhöhen, wie z. B. CuAl10, CuSn8, CU18150 und andere. Dennoch liegt die Absorption deutlich unter der von häufiger verwendeten Stählen, weshalb Hochleistungslaser über 3.000 W für solche Anwendungen gut geeignet sind. Darüber hinaus haben sich in den letzten Jahren das Vorheizen des Kupfersubstrats und fortschrittliche Beschichtungsstrategien, die effektivere Abscheidungswinkel nutzen, als erfolgreich erwiesen.

Typische Anwendungen konzentrieren sich auf die Beschichtung von Inconel auf einem Kupfersubstrat in verschiedenen Raumfahrtanwendungen – am häufigsten Raketendüsen. Abbildung 1 zeigt beispielsweise den Aufbau eines Kupferliners aus CU18150 auf einem Laser-Powder-Bed-Fusion-System (LPBF) (LASERTEC 30 DUAL SLM von DMG Mori), das in der Hauptspindel des fünfachsigen Dreh- Mühle LASERTEC 3000 DED Hybridmaschine. Der Kupferliner in CU18150 wurde mit einem 1.000-W-Laser auf dem LPBF-System hergestellt und um den Außendurchmesser herum wurden offene Kühlkanäle hinzugefügt. Auf der Hybrid-DED-Maschine wurde ein 3.000-W-Laser verwendet, um Inconel 625 umlaufend abzuscheiden und die Kühlmittelkanäle entsprechend zu verschließen. Die Reflexion des Kupferliners ist eine Herausforderung bei der Etablierung eines stabilen Prozesses, der zu einer ordnungsgemäßen Materialbindung führt.

Mit der richtigen Abscheidungsstrategie und einem fortschrittlichen Werkzeugweg, der in einem fünfachsigen CAM-Programm wie Siemens NX erstellt wurde, können erfolgreiche Ergebnisse erzielt werden, wie in Abbildung 2 dargestellt. Eine gleichmäßige Inconel-Schicht wird um den Umfang aufgetragen und eine Mikrostrukturanalyse zeigt eine gute Bindung zwischen den Schichten Kupfersubstrat und der Inconel-Schicht.

Durch die Verwendung einer Kombination aus einem LPBF-System und einem DED-System wird die Größe solcher Komponenten auf typische Umschlaggrößen von einem Kubikfuß beschränkt oder bei neueren Maschinenentwicklungen etwas größer. Um den Anforderungen der Raumfahrtindustrie gerecht zu werden, ist es wünschenswert, den gesamten Umfang der DED-Hybridmaschinen zu nutzen, die Durchmesser von bis zu 1.250 mm und Teillängen von bis zu 6.000 mm zwischen den Spindeln abdecken. Folglich stellt ein DED-System, das Kupfer abscheiden und somit die Kupferauskleidung in derselben Hülle aufbauen kann, eine enorme Chance für fortschrittlichere Raumfahrtkomponenten mit sehr attraktiven wirtschaftlichen Vorteilen dar.

Jüngste Entwicklungen in der Laserindustrie ermöglichen Diodenlaser mit höherer Laserleistung in alternativen Wellenlängenbereichen. Insbesondere Grün- und Blaulichtlaser im sichtbaren Lichtspektrum sind erst seit kurzem wirtschaftlich realisierbar. Abbildung 3 zeigt den Vorteil der Verwendung von Blaulichtlasern im Wellenlängenspektrum von 450 nm im Vergleich zu IR-Lasern im Bereich zwischen 900 und 1.070 nm. Blaue Laser (450 nm) weisen gegenüber grünen Lasern (515 nm) weitere Fortschritte auf. Die Energieabsorption wird bei allen Metallen verbessert, wobei die deutlichsten Fortschritte bei Kupfer erzielt werden.

Ein Vergleich der Grundelemente Eisen, Nickel und Kupfer zeigt eine verbesserte Absorption. Kupfer absorbiert im IR-Spektrum kaum Licht und erreicht im blauen Wellenlängenspektrum das gleiche Absorptionsniveau wie Nickel und Eisen. Darüber hinaus absorbiert Nickel Licht im blauen Laserbereich mit einer um 19 % höheren Effizienz. Dadurch wird die Abscheidung von reinem Kupfer und niedriglegierten Kupferlegierungen wie CU18150 im DED-Prozess möglich.

Der Einfluss auf die Abscheidungsergebnisse ist bemerkenswert, wie die mikroskopischen Bilder in Abbildung 4 zeigen. Zwei Legierungen werden verglichen: eine ist eine niedriglegierte Kupferlegierung, Aluminium-Bronze CuAl1 (1 Gew.-% Al, >96 Gew.-% Cu); das andere ist reines Kupfer. Beide Legierungen werden mit einem IR-Laser und einem blauen Laser abgeschieden. Man erkennt deutlich, dass der IR-Laser bereits mit der Aluminiumbronze zu kämpfen hat, sodass entlang der Trennfugen jeder abgeschiedenen Schicht Poren entstehen.

Beim reinen Kupfer erkennt man, dass der IR-Laser das Material nicht richtig auftragen kann. Entlang der Linien jeder aufgetragenen Schicht sowie zwischen den Schweißnähten kommt es zu Verbindungsfehlern. Die Schweißraupen haften kaum noch, was zur Trennung der Schweißraupen und Schichten führt. Währenddessen erzeugt der blaue Laser eine gleichmäßige Abscheidung sowohl der Aluminiumbronze als auch des reinen Kupfers. Die Ergebnisse wurden mit verschiedenen Kupferlegierungen sowie auf Substraten von Stahl bis Kupfer wiederholt.

Die Raumfahrtindustrie profitiert stark von der Möglichkeit, Materialien wie Kupfer und Inconel zu kombinieren. Hauptsächlich zur Verbesserung der Kühlung von Antriebskomponenten wie Triebwerken und Raketendüsen wird Kupfer verwendet und mit Inconel beschichtet, um hohen Drücken standzuhalten und eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen zu gewährleisten.

Bisher wurden Raketendüsen durch komplizierte Prozessketten hergestellt, die eine Kombination aus Gießen oder Schmieden, maschineller Bearbeitung, Galvanisierung und irgendeiner Form der Plattierung umfassten. Die typische Prozesskette erstreckte sich über verschiedene Standorte, was zu monatelangen Vorlaufzeiten führte. Darüber hinaus sind die damit verbundenen Prozesse und Materialien teuer und können die Kosten für eine einzelne Raketendüse mit kleiner Stufe (ca. Ø 600 mm x 800 mm in Z) auf mehrere hunderttausend Dollar treiben. Die Vorlaufzeiten für die gleiche Komponente können bis zu neun Monate betragen.

Durch den Einsatz eines Hybrid-DED-Systems kann das gleiche Bauteil auf einer Maschine in einer einzigen Aufspannung gefertigt werden. Abbildung 5 zeigt ein Demonstratorteil, das auf dem LASERTEC 125 DED Hybrid von DMG Mori hergestellt wurde. In einer Hülle bis zu Ø1.250 mm x 790 mm werden der Kupferliner und die Inconel-Hülle Schicht für Schicht abgeschieden. Querschnitt A zeigt die Ansicht in einer Schicht, in der die Kupferkanäle vollständig mit der Inconel-Hülle verbunden sind, während Abschnitt B in die Kühlkanäle vertikal entlang der Abscheidungshöhe blickt und eine solide Verbindung zwischen jeder Kupfer- und Inconel-Schicht zeigt.

Durch die Integration der Abscheidungs- und Bearbeitungsprozesse in einer Maschine kann eine Raketendüse innerhalb weniger Tage hergestellt werden, verglichen mit mehreren Monaten in der Vergangenheit. Ebenso sind deutliche Kostensenkungen möglich. Unter Berücksichtigung der Pulverkosten und der Maschinenzeit belaufen sich die Kosten für dieselbe Düse jetzt auf Zehntausende Dollar im Vergleich zu Hunderttausenden Dollar früher.

Materialqualität und Prozesswiederholbarkeit sind entscheidend für die Einführung neuer Technologien. Daher ist der LASERTEC 125 DED hybrid mit In-situ-Schmelzbadüberwachung, Arbeitsabstandskontrolle (Teil zum DED-Werkzeug), Teiletemperaturkontrolle und Pulverflussüberwachung ausgestattet.

Die Wärmeleitfähigkeit ist ein großer Erfolgsfaktor beim Druckguss und Spritzguss. Harmonischere Temperaturprofile in den Werkzeugen und eine bessere Wärmeleitfähigkeit führen zu einer verbesserten Teilequalität sowie einer höheren Produktivität und damit zu geringeren Kosten. Herkömmlicherweise werden Formen und Matrizen aus Knüppeln oder Gussteilen gefertigt, was lange Vorlaufzeiten von mehreren Monaten erfordert. Kühlkanäle werden von außen durch die Matrize gebohrt, was die Geometrie der Kühlmittelkanäle einschränkt, so dass die Kühlung in Oberflächenbereichen der Matrize unterschiedlich ausfällt, die weiter vom nächsten Kühlmittelkanal entfernt sind.

Der Einsatz von Hybrid-DED-Maschinen mit blauen Lasern ermöglicht eine völlig neue Art der Formen- und Gesenkherstellung. Abbildung 6 zeigt einen Matrizeneinsatz, der auf einer LASERTEC 65 DED Hybrid mit einem blauen Laser von Grund auf hergestellt wurde. Der Matrizenkern ist aus Kupfer und die Haut des Matrizeneinsatzes ist aus Werkzeugstahl mit einer Härte von 55 HRC. Beim Ablegen des ersten Abschnitts (a) werden Kühlmittelkanäle in das Teil (b) eingearbeitet und der zweite Abschnitt wird abgelagert, bis er angehalten wird, um mit der Bearbeitung der Kühlmittelkanäle fortzufahren. Dies wird mehrmals wiederholt, bis das letzte Teil (c) fertiggestellt ist, das über eine solide Werkzeugstahlhaut und einen Kupferkern mit einem Kühlmittelkanal für schnelle Wärmeleitfähigkeit verfügt.

In Experimenten wurde ein herkömmliches Design des Matrizeneinsatzes mit einem hybriden, additiv gefertigten Design verglichen. Es wurde festgestellt, dass sich das thermische Verhalten der Matrize verbesserte, sodass die Zykluszeit um 76 % reduziert werden konnte. Dies verbessert nicht nur die Produktivität, sondern es wurde auch festgestellt, dass die Gussteile eine gleichbleibendere Qualität aufwiesen, was zu Einsparungen bei der Ausschussrate von mehr als 200.000 US-Dollar pro Jahr führte.

Der Einsatz blauer Laser befindet sich noch im Anfangsstadium, da sie gerade erst wirtschaftlich verfügbar geworden sind. Erste Anwendungen zeigen bereits eine deutliche Verbesserung bei der Verwendung von Kupferlegierungen und bieten zahlreiche Anwendungsfälle, die in der Vergangenheit entweder nicht oder nur mit erheblichem Zeit- und Arbeitsaufwand realisierbar waren.

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