Od ponad 30 lat Instytut Fraunhofera ds. Techniki Laserowej ILT kształtuje metalową produkcję addytywną poprzez przełomowe innowacje systemowe i procesowe. Na targach Formnext, które odbywają się od 18. do 1.01.2000, Instytut Laserowy zaprezentuje w hali 11, stoisko D31, swoje kompleksowe portfolio, ukierunkowane na kluczowe przeszkody branżowe, które obniża koszty, oszczędza czas na poprawki i sprawia, że komponenty stają się bardziej odporne: od wytrzymałych elementów wolframowych i podejść wielomateriałowych dla ekstremalnie obciążonych komponentów w zastosowaniach fuzji, po wysoko wydajne procesy jednoczesnego pokrywania i obróbki końcowej, które oszczędzają czas i energię, aż po inteligentne struktury, takie jak drukowane czujniki, które czynią metalowe elementy inteligentnymi.
„Niezależnie od tego, czy chodzi o demonstrator, czy o serię, celem prac rozwojowych w Fraunhofer ILT jest zazwyczaj zaprojektowanie procesów w sposób szybszy i bardziej niezawodny oraz zapewnienie jakości komponentów”, wyjaśnia dr Tim Lantzsch, kierownik działu fuzji proszków laserowych (LPBF) w Fraunhofer ILT.
Ekspozycje na Formnext 2025 ilustrują podejście wzdłuż całego łańcucha procesowego: obudowa rozdzielacza Al-Sc dla ogniw paliwowych, nośnik optyczny wykonany w technologii LPBF dla satelitów, prototyp 2-kW LCoS do swobodnie formowanych profili wiązki oraz struktury LPBF o regulowanej porowatości.
W przypadku selektywnego spiekania laserowego (SLS) nacisk kładziony jest na rozwój procesu dla nowych materiałów. Elastyczne instalacje laboratoryjne w Fraunhofer ILT mogą już przetwarzać najmniejsze ilości proszku, na przykład bardzo miękkie, termoplastyczne poliuretany (TPU) oraz polimery z pamięcią kształtu. Celem jest celowe sterowanie właściwościami oraz określenie solidnych parametrów dla nowych zastosowań oraz produkcji seryjnej.
„Myślimy o wytwarzaniu addytywnym z perspektywy funkcji komponentu, łączymy materiał, proces i dane, redukujemy koszty na część oraz zwiększamy jakość i dostępność. Postrzegamy się jako rozwiązywaczy problemów i deweloperów procesów, od pomysłu po stabilną produkcję u partnera przemysłowego“, dodał Lantzsch.
Elementy wolframowe dla energii fuzji
Elementy narażone na plazmę w reaktorach fuzyjnych, takie jak wzmocnienie ściany reaktora, muszą wytrzymywać cykliczne obciążenia cieplne do około 20 MW/m² oraz silne promieniowanie. W takich ekstremalnych warunkach praktycznie jedynym odpowiednim materiałem jest czysty tungsten. Dotychczas jednak materiał ten wymusza proste geometrie i skomplikowane miejsca łączenia. Różne rozszerzalności cieplne powodują awarie połączeń lutowanych w cyklach termicznych, co wpływa na czas eksploatacji i dostępność urządzeń.
Projekt DURABLE koncentruje się dokładnie na tym: Procesy addytywne umożliwiają wytwarzanie monolitycznych lub wielomateriałowych komponentów z tungstenem i stopem miedzi z ciągłym przewodem cieplnym zamiast krytycznej strefy połączenia. Kluczowe jest prowadzenie procesu: nowa technika systemowa i okna parametrów prowadzą w PBF-LB/M do niemal bezszczelinowych, wysokodensywnych struktur tungstenowych. Dzięki temu możliwa jest złożona geometria z konformalnym chłodzeniem.
„Korzyści polegają na dłuższej żywotności komponentów, mniejszej ilości prac poprawek oraz mniejszym ryzyku w punktach łączenia, co jest warunkiem wydłużenia interwałów konserwacyjnych i obniżenia kosztów na godzinę pracy“ – mówi Niklas Prätzsch, kierownik grupy technologii procesów i systemów LPBF w Instytucie Techniki Laserowej Fraunhofera ILT.
Optymalizacja powierzchni w jednym kroku
Nowy przełomowy podejście realizuje Viktor Glushych, kierownik grupy powlekania LMD i obróbki cieplnej w Fraunhofer ILT, dla ekstremalnego szybkiego laserowego spawania przyrostowego (EHLA). Proces ten powleka szybko i oszczędnie, jednak w większości przypadków konieczna jest obróbka skrawaniem. „Jednoczesne powlekanie i walcowanie” (SCaRB) łączy EHLA z walcowaniem w jednym kroku procesowym. Gdy nałożona warstwa jest jeszcze ciepła, narzędzie walcujące przemieszcza się po powstałej powierzchni, plastycznie ją zagęszcza i wygładza szczyty chropowatości.
W ten sposób powstaje gęsta, utrzymująca naprężenia cieplne warstwa wierzchnia o wysokiej jakości powierzchni bez ubytku materiału i bez dodatkowego szlifowania.
„To oszczędza czas, narzędzia i materiały“, wyjaśnia Glushych zalety. „Jednocześnie SCaRB może celowo wpływać na strukturę i naprężenia własne. To poprawia odporność na zużycie i korozję oraz zwiększa wytrzymałość zmęczeniową pokrytych elementów.“ Na Formnext Fraunhofer ILT zaprezentuje demonstrator EHLA-Rollieren, który na żywo ilustruje połączone prowadzenie procesu.
Powłoki wielomateriałowe wolne od PFAS
Oprócz czystych warstw metalowych można również nakładać warstwy wielowarstwowe z materiałów różnego rodzaju. W tym przypadku proces EHLA dla warstw metalowych jest łączony z aplikacją warstwy PEEK w celu wytworzenia funkcjonalnych warstw kompozytowych. PEEK to wolny od fluoru wysokowydajny polimer i atrakcyjna alternatywa dla powłok PFAS.
»Nowość polega na wykorzystaniu ciepła resztkowego z procesu EHLA do stopienia nałożonej warstwy PEEK w bezpośrednio następującym kroku. W tym celu stosowana jest technologia dysz opracowana w Fraunhofer ILT, która umożliwia jednorodne aplikowanie. Ten hybrydowy system warstw łączy właściwości dwóch indywidualnie regulowanych warstw funkcjonalnych«, wyjaśnia Rebar Hama-Saleh Abdullah, pracownik naukowy w Fraunhofer ILT.
Metaliczna warstwa EHLA może być stosowana jako powłoka ochronna przed korozją (np. w tłokach), jako warstwa awaryjna (np. w turbinach wiatrowych) lub jako przewodząca ciepło warstwa pośrednia. Nałożona na nią warstwa PEEK, w zależności od dodatków, może pełnić funkcję warstwy antyadhezyjnej, warstwy ślizgowej lub dodatkowej ochrony przed korozją. „Siła adhezji między metalem a polimerem osiągana jest poprzez zablokowanie tworzywa sztucznego w celowo wprowadzoną, szorstką powierzchnię w procesie EHLA”, mówi dr Christian Vedder, kierownik działu technologii powierzchni i usuwania form w Fraunhofer ILT.
Drukowane czujniki, inteligentne komponenty
W produkcji addytywnej elementy powstają warstwa po warstwie. Dzięki temu dostępne stają się obszary, które są niedostępne z zewnątrz. Na tym opiera się podejście, aby wprowadzać czujniki bezpośrednio do części metalowych, na przykład drukowane czujniki tensometryczne w elementach LPBF. Warstwy czujników powstają za pomocą druku atramentowego, Aerozol-Jet lub druku tamponowego; można je nanosić podczas lub po budowie i precyzyjnie umieszczać. Tak wyprodukowane inteligentne elementy dostarczają na przykład dane w czasie rzeczywistym dotyczące obciążenia, odkształcenia lub początkowego powstawania pęknięć.
„Te czujniki znajdują się dokładnie tam, gdzie dane są najbardziej przydatne, nawet w strefach, które byłyby niedostępne w konwencjonalnej produkcji“, podkreśla dr Samuel Moritz Fink, kierownik grupy technologii cienkowarstwowych w Fraunhofer ILT. „To umożliwia monitorowanie stanu w trakcie użytkowania, przewidywalne utrzymanie i większe bezpieczeństwo operacyjne. Jednocześnie zmniejsza się złożoność systemu, ponieważ można zrezygnować z oddzielnych konstrukcji, kabli czy zewnętrznych punktów pomiarowych. Branże docelowe obejmują lotnictwo i kosmonautykę, energetykę oraz inżynierię maszynową.“
Rozwiązywacze problemów i deweloperzy procesów
Główne wyzwania dla firm w zakresie AM metali polegają na wysokich kosztach jednostkowych, skomplikowanym rozwoju aplikacji oraz kwalifikacji i certyfikacji procesów do produkcji seryjnej. Właśnie w tym obszarze działa portfolio Fraunhofer ILT. Rozpoznaje wąskie gardła, rozwija stabilne procesy i szybko wprowadza aplikacje do produkcji od pierwszego prototypu po solidną produkcję u klienta.
»Nowe materiały są kluczem do wykorzystania szczególnych zalet SLS, czyli maksymalnej swobody projektowania i braku struktur podporowych, w coraz większej liczbie branż. Dzięki naszym zmodyfikowanym maszynom możemy efektywnie kwalifikować te materiały, a tym samym przezwyciężyć problem jajka i kury w przemyśle«, wyjaśnia Vera Rothmund z grupy Rozwoju Aplikacji w Fraunhofer ILT.
»W Fraunhofer ILT postrzegamy się jako partnera przemysłu: rozwijamy dostosowane procesy i technologie, aby wspólnie z firmami rozwiązywać kluczowe wyzwania w druku 3D metali – od wydajności przez zapewnienie jakości po opłacalność«, mówi dr Thomas Schopphoven, kierownik działu spawania laserowego w Fraunhofer ILT.
Fraunhofer ILT na Formnext 2025 na wspólnym stoisku Fraunhofer D31 w hali 11.
Kontakt:
