Auftragsrate oder Präzision: Hybride additive Fertigung einer Verdichterschaufel

Hohe Auftragsraten, geringe Wärmeeinbringung, präzise Konturen oder ein möglichst geringer Materialverbrauch: Additive Fertigungsverfahren erfüllen unterschiedliche technologische Anforderungen. Welches Verfahren geeignet ist, hängt deshalb wesentlich von der Geometrie, der Größe und dem späteren Einsatz des jeweiligen Bauteils ab.

Die Fertigung einer Verdichterschaufel zeigt, wie sich verschiedene additive Technologien innerhalb eines hybriden Fertigungsansatzes miteinander kombinieren lassen. Während die Basis der Schaufel mittels Laser Powder Bed Fusion, kurz PBF-LB/M, gefertigt wurde, entstand das eigentliche Schaufelblatt anschließend durch Laserauftragschweißen mit Draht, auch als DED-LB/w bezeichnet.

Präzise Basis aus dem Pulverbett

Beim PBF-LB/M-Verfahren wird metallisches Pulver schichtweise aufgetragen und in den jeweils benötigten Bereichen durch einen Laser aufgeschmolzen. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien mit hoher Detailgenauigkeit.

Diese Eigenschaften eignen sich besonders für filigrane Strukturen und Bauteilbereiche, bei denen geometrische Präzision im Vordergrund steht. Gleichzeitig ist das Verfahren bei großen Aufbauvolumina mit längeren Fertigungszeiten verbunden.

Für den gezeigten Demonstrator wurde PBF-LB/M deshalb gezielt zur Herstellung der Schaufelbasis eingesetzt.

Effizienter Materialauftrag mit DED-LB/w

Das Schaufelblatt wurde anschließend mittels DED-LB/w aufgebaut. Bei diesem Verfahren wird ein Metalldraht in den Wirkbereich eines Laserstrahls geführt, dort aufgeschmolzen und Schicht für Schicht auf dem vorhandenen Bauteil abgelegt.

DED-LB/w verbindet vergleichsweise hohe Auftragsraten mit einem präzisen und endkonturnahen Materialauftrag. Gegenüber pulverbettbasierten Verfahren kann das benötigte Material schneller aufgebaut werden. Der drahtförmige Zusatzwerkstoff ermöglicht zugleich eine nahezu vollständige Materialausnutzung.

Dadurch eignet sich das Verfahren unter anderem für:

• den additiven Aufbau endkonturnaher Metallbauteile
• die Ergänzung bestehender Grundkörper
• die Reparatur großer und hochwertiger Komponenten
• funktionale Beschichtungen
• den Schutz vor Korrosion und abrasivem Verschleiß

Unterschiedliche Stärken von DED-LB/w und WAAM

Sowohl DED-LB/w als auch Wire Arc Additive Manufacturing verwenden Draht als Zusatzwerkstoff. Die Verfahren setzen jedoch unterschiedliche technologische Schwerpunkte.

WAAM erreicht besonders hohe Auftragsraten und ist daher für große Bauteile und hohe Aufbauvolumina geeignet. Der lichtbogenbasierte Prozess bringt allerdings vergleichsweise viel Wärme in das Bauteil ein. Dies kann Verzug verursachen und einen höheren Aufwand bei der abschließenden Bearbeitung erforderlich machen.

DED-LB/w arbeitet mit geringeren Auftragsraten, ermöglicht dafür jedoch einen kontrollierteren Wärmeeintrag und einen präziseren Materialauftrag. Auf diese Weise können Strukturen näher an ihrer endgültigen Kontur gefertigt und nachgelagerte Bearbeitungsschritte reduziert werden.

Entscheidend ist daher nicht, welches Verfahren grundsätzlich besser ist. Maßgeblich ist, welche Technologie am besten zur Bauteilgröße, Geometrie, Werkstoffkombination und zum jeweiligen Fertigungsziel passt.

Fertigungsverfahren gezielt kombinieren

Der Demonstrator macht sichtbar, wie die Stärken unterschiedlicher Fertigungsverfahren innerhalb eines Bauteils genutzt werden können. Seine Schaufeln wurden mit insgesamt drei verschiedenen Fertigungsansätzen realisiert.

Solche hybriden Konzepte eröffnen die Möglichkeit, Fertigungsgeschwindigkeit, Präzision und Materialeffizienz gezielt auszubalancieren. Damit schaffen sie neue Perspektiven für die Herstellung, Funktionalisierung und Reparatur anspruchsvoller metallischer Komponenten.

Partner: Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS