Ziel der Entwicklung

Logo: Gasverdüsungsanlage BluePower Au 1000, a: Mit Spähnen gefüllter Schmelztigel, b: Pulververdüsungsprozess mit REM-Aufnahme vom Pulver und c: Pulvererzeugnis
Gasverdüsungsanlage BluePower Au 1000, a: Mit Spähnen gefüllter Schmelztigel, b: Pulververdüsungsprozess mit REM-Aufnahme vom Pulver und c: Pulvererzeugnis

Bei großen Schiffspropellern ist eine Rekonditionierung auf herkömmliche Art besonders Zeitintensiv. Die anfälligen Bereiche eines Schiffspropellers sind zum Beispiel die Spitzen der Propeller, welche durch Kavitation geschädigt werden.

Eine Reparatur wird oft durch Auftragsschweißen ausgeführt. Hierbei wollen wir die Auftragszeit von neuem Material durch hohe Bauraten reduzieren. Neben einer hohen Baurate müssen auch die mechanischen Kennwerte von Zähigkeit, Härte und Festigkeit mindestens dem Propellermaterial entsprechen, ohne dass Bau- oder Bindefehler im Material auftreten. Da am Markt nicht immer alle Draht- und Pulverwerkstoffe in derselben Legierung wie das Propellermaterial verfügbar sind, seien es Lieferengpässe oder Sonderlegierungen deren Zusammensetzung nicht veröffentlicht wurde, gilt es nach Wegen zu suchen, um aus alten Materialresten neues Material für die additive Fertigung zu generieren. Die hauseigene Metallpulverherstellung mittels Gasverdüsung ermöglicht die Herstellung von Metallpulver aus Metallspänen der mechanischen Bearbeitung.

Insbesondere die Ermittlung des wirtschaftlich geeignetsten Verfahrens ist in der Industrie noch nicht abschließend erfolgt. Die Reparatur von Schiffspropellern erfolgt aktuell entweder händisch oder mittels DED-Arc, für eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung soll dem ergänzend die Laserstrahlbasierten Verfahren DED-LW und DED-LP untersucht werden. Damit soll zum einen geklärt werden, ob diese drei Verfahren überhaupt für die großvolumige Reparatur infrage kommen, mit welchen Parametern dies zu bewerkstelligen ist, und mit welcher Baurate zu welchen Kosten diese Fertigungsverfahren am Markt angeboten werden können.

Vorteile und Lösungen

Die additive Fertigung, beziehungsweise das Auftragsschweißen, kann durch Draht oder Pulver erfolgen. Das Arc Direct Enery Deposition – Verfahren (DED-Arc) basiert auf einem Lichtbogen-Draht-Prozess, welcher mittels Roboterarm ausgeführt wird. Laser Wire Direct Energy Deposition (DED-LW) basiert auf einem Laserstrahlprozess dem ein Draht als Zusatzwerkstoff hinzugegeben wird, wobei im Vergleich zu DED-Arc eine kleinere Schmelze entsteht. Laser Powder Direct Energy Deposition (DED-LP) verspricht höhere Bauraten wenn mittels Breitstrahldüsen die Pulverförderrate erhöht wird.

Um zwischen diesen Verfahren zu differenzieren wurden Vergleichskriterien festgelegt, welche von ingenieurstechnischer und wirtschaftlicher Relevanz für die effiziente Fertigung sind. Es wurden Testkörper erzeugt, aus denen Mikroschliffe und Makroschliffe gefertigt wurden, am Mikroschliff wurde die Vickershärte gemessen, und an ausgewählten Proben wurden Kerbschlag- und Zugversuche durchgeführt. In einem Unterauftrag wurde die Eigenspannung betrachtet, die mit und ohne Wärmebehandlung im Bauteil verbleibt. Abschließend wurden alle drei Verfahren mittels Gemeinkostenrechnung hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit analysiert. Da bei den Drahtbasierten Verfahren das Basismaterial CuAl10Fe5Ni5 mit dem Zusatzwerkstoff CuAl8Ni4Fe2Mn2 verarbeitet wurde, ergeben sich hier dementsprechend andere mechanische Kennwerte als bei dem pulverbasierten Verfahren, bei welchem beide Materialien CuAl10Fe5Ni5 sind.

Die Betrachtung der Eigenspannung hat gezeigt, dass bei DED-Arc mit und ohne Spannungsarmglühen bei 450° C für 3 Stunden die Eigenspannungen sehr gering sind. Im Gegensatz dazu ist bei DED-LW ohne Wärmebehandlung ein starker Eigenspannungsgradient zu beobachten, was auch impliziert, dass dieses Verfahren nicht für den Aufbau großer Volumina geeignet ist. Die Eigenspannungsmessung der DED-LP-Proben wurde durch die Härte des Materials unterbunden.

Da in der industriellen Anwendung auch die Kosten relevant sind wurden alle anfallenden Einzel- und Gemeinkosten zusammengerechnet. Die resultierenden Selbstkosten zeigen, dass DED-Arc mit dem vergleichsweise simplen Aufbau die geringsten Kosten per Volumen aufweist. Dem gefolgt von DED-LP ohne Breitstrahldüse, wobei hier die geringe Baurate der limitierende Faktor ist. Durch die Applikation von mehr Pulver könnte somit die Effizienz des Prozesses gesteigert werden. In Relation zum Volumen ist DED-LW das ungünstigste der drei Verfahren. In Kombination mit der gesteigerten Eigenspannung kann daraus hergeleitet werden, dass dieses Verfahren vor allem für kleine, präzise Reparaturen anwendbar ist.

Zielgruppe und Zielmarkt

Durch die Initialisierung eines projektbegleitenden Ausschuss, unter anderem mit zwei der führenden maritimen Unternehmen in M-V, konnte eine engere Zusammenarbeit mit industriellen Anwendern geschaffen werden. Aktuell setzt sich ein Unternehmen aus dem Ausschuss mit der additiven Fertigung mittels DED-Arc auseinander, somit konnte sich hier schon während der Projektlaufzeit über Schweißparameter und Schweißstrategien intensiv ausgetauscht und einige Ergebnisse bereits teilweise in der Anwendung umgesetzt werden. Da den beteiligten Unternehmen des Projektausschusses die Ergebnisse gefallen, können darüber hinaus die neuen Verfahren vermarktet und als alternative Prozesse in der additiven Fertigung vorgestellt werden.
Durch die Beteiligung im Ausschuss konnte die SLV M-V sich als kompetenter Partner auf den Gebieten der Metallpulverherstellung und der additiven Herstellung mittels Direct Energy Deposition hervorbringen. Die erarbeiteten Reparaturkonzepte, bereits in der Reparatur einer Propellernabe gezeigt, decken ein breites Anwendungsspektrum ab und können dementsprechend im maritim orientierten Norden vermarktet werden.

Da DED-Arc bereits stark am Markt etabliert ist, kann hier einerseits mit größerer Konkurrenz gerechnet werden, andererseits bestehen auf diesem Markt mehr Absatzmöglichkeiten. Das DED-LP ist auch in vielen Fällen bereits etabliert, wird aber oft unabhängig von der Pulverherstellung vermarktet. Hier ist das Eigenstellungsmerkmal der SLV M-V eine Kombination aus der Herstellung von maßgeschneiderten Pulverwerkstoffen und einer Applikation dieser im DED-LP-Verfahren. Dabei kann das Metallpulver auch in kleinen Mengen (< 5 kg) abgegeben werden, was insbesondere für kleine Reparaturen wirtschaftlich interessant ist. Das Fertigungsverfahren DED-LW hingegen ist am Markt kaum etabliert. Hier kann die SLV M-V als Early Adopter mit einer starken Marktpräsenz dieses Verfahren für filigrane Reparaturaufträge etablieren und somit eine gute Absatzposition sichern.

Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse wurden und werden auf verschiedenen nationalen und internationalen Konferenzen und Fachmessen präsentiert. Auf der Tagung „Additive Manufacturing“ am 05.10.2023 in Halle wurde dieses Projekt zum Thema Upcycling von Metallen – Wiederverwertung von Metallresten zum artgleichen Laserpulverauftragschweißen von Kupferlegierungen im maritimen Bereich vorgestellt. Auf der 77. IIW Annual Assembly and International Conference in Rhodos wurde dieses Thema auf der internationalen Konferenz im Bereich „Energy Infrastructures and Transportations across the Seas“ vor einem internationalen Publikum vorgestellt.

Ebenso wurde dieses Projekt auf dem Firmeneigenen Messestand der Formnext 2023 in Frankfurt am Main und auf dem Gemeinschaftsstand der DVS SLV auf der Messe Schweißen & Schneiden 2023 in Essen vorgestellt. Dort konnten wir den Besuchern Exponate und Proben aus dem Forschungs- und Entwicklungsprozess zeigen, um die Reichweite dieses Vorhabens über die Landesgrenzen hinauszutragen.