Lasergestützte Bearbeitung schwieriger Metalle
Legierungen auf Titan- und Nickelbasis sowie rostfreier Stahl und hochfeste Aluminiumlegierungen nutzt man in zunehmendem Maße zur Fertigung von Teilen wie beispielsweise Lufteinlassringen für Flugzeugtriebwerke, Felgenringen und Komponenten von Abgassystemen. Diese Materialien gelten bislang jedoch als schwierig zu bearbeiten. Gleichzeitig sehen sich die Produktentwickler der Herausforderung der Realisierung komplexer Geometrien bei wirtschaftlichem Einsatz dieser Materialien gegenüber. Das Metalldrücken bietet Vorteile wie etwa kurze Rüstzeiten, niedrige Werkzeugkosten und die Option, mehrere Prozessschritte in einer einzigen Einspannung durchführen. Das von der EU geförderte Projekt EASYFORM (Laser-assisted metal spinning for an efficient and flexible processing of nickel- and titanium-alloys) wurde initiiert, um die industrielle Anwendbarkeit des lasergestützten Metalldrückens bei der Verarbeitung von Titan- und Nickellegierungen zu verbessern. Eine lokale Erwärmung mittels Lasern kann die Formbarkeit von Werkstoffen verbessern und die Notwendigkeit zeit-, kosten- und energieintensiver zusätzlicher Wärmebehandlungen beseitigen. Im Bereich des Metalldrücken tätige Firmen, Forschungseinrichtungen und ein Maschinenwerkzeugmacher vereinten ihre Kräfte, um den Umformungsprozess und die dazugehörige Systemtechnologie zu entwickeln. Die EASYFORM-Partner konzipierten eigens einen Laserbearbeitungskopf, der in konventionelle Metalldrückausrüstung integriert werden kann. Gleichermaßen wurden innovative Konzepte zur Einbindung der Laserquelle in eine Metalldrückmaschine entwickelt. Sämtliche Systemschnittstellen zwischen der Metalldrückmaschine, dem Laser, dem Laserbearbeitungskopf und der Messinstrumentierung wurden definiert. Außerdem entwickelte man Methoden für deren Einsatz beim Umformen von aus Titan- und Nickellegierungen gefertigten hochleistungsfähigen Luftfahrtkomponenten sowie die erforderlichen Leitlinien für die Qualitätskontrolle. Zwecks Definition der notwendigen Verarbeitungsmethodik charakterisierte das Projektteam die Mikrostruktur ausgewählter Materialien. Die Forscher leiteten die temperaturabhängigen Spannungs-Dehnungs-Kurven ab und ermittelten einen geeigneten Temperaturbereich für Nickel- und Aluminiumlegierungen, Edelstahl und hochfeste Aluminiumlegierungen. Auf Grundlage der Resultate dieser Analyse entwickelten die Forscher Strategien für die lokale Erwärmung jedes Materials und setzten die optimalen Prozessparameter fest. Die Optimierung wurde durch experimentelle Arbeiten und Finite-Elemente-Modellsimulationen unterstützt. Mit der laseruntergestützten Metalldrücktechnologie von EASYFORM wird man erwartungsgemäß eine deutliche Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Unternehmen auf dem Gebiet des Metalldrückens verzeichnen können. Ihr Einsatz wird Fertigungszeit und -kosten einsparen und gleichzeitig die Produktqualität steigern.
Schlüsselbegriffe
lasergestützte Bearbeitung, Titan, Flugzeugtriebwerkskomponenten, Metalldrücken, Legierungen auf Nickelbasis