Neues Verfahren beschleunigt den Materialauftrag und die Entwicklung anwendungsspezifischer AM-Werkstoffe

Wiesbaden, 29. September 2022    Auf der Formnext stellt ponticon erstmals sein pE3D-System für die Additive Fertigung sowie für die Beschichtung und Reparatur komplex geformter metallischer Werkstücke mit dem Dynamic Material Deposition (DMD) Verfahren vor. Es kombiniert eine hohe Prozessgeschwindigkeit mit extremer Genauigkeit und hoher Flexibilität bei der Auswahl der Legierungskomponenten.

Das von ponticon entwickelte Dynamic Material Deposition Verfahren macht es möglich, metallische Werkstoffe in nahezu beliebiger Kombination auf metallische oder keramische Bauteile aufzutragen. Im Gegensatz zum traditionellen Laser-Auftragschweißen wird das metallische Pulver in einem Laserstrahl bereits geschmolzen, bevor es Schicht für Schicht auf die Oberfläche des Substrates trifft.

Performante Bauteile in kurzer Zeit fertigen

In der Additiven Fertigung ermöglicht DMD die Verarbeitung einer großen Vielfalt von Materialien mit einer außergewöhnlich hohen Auftragrate. Das Ergebnis sind performante Bauteile, die mit hoher Präzision in kurzer Zeit gefertigt werden. Dank der großen Flexibilität bei der Kombination verschiedener Werkstoffe erhalten Bauteile exakt die Eigenschaften, die die jeweilige Anwendung erfordert.

Hochbeständige Beschichtungen auf nahezu beliebig geformten Oberflächen

Das Verfahren eignet sich auch dazu, unterschiedlichste Legierungen und Elemente stoffschlüssig auf metallische Bauteile aufzutragen. Die so entstehenden Beschichtungen sind äußerst fest mit dem Trägermaterial verbunden und erfüllen höchste Anforderungen an Verschleißfestigkeit sowie an Korrosions- und Temperaturbeständigkeit.

Wieder fit für extreme Beanspruchung

Beim gezielten Reparieren von Bauteilen, an denen Metall ausgebrochen oder flächig verschlissen ist, erfassen Sensoren zuerst die Ist-Geometrie. Mit diesen Daten plant die CAM-Software die Bahn für den Reparaturprozess, bei dem Düse und Werkstück präzise zueinander ausgerichtet sind. Anschließend wird das neue, an die Eigenschaften des Werkstückes angepasste Material aufgetragen. Dabei ist der Wärmeeintrag minimal, die Materialeigenschaften des Bauteils bleiben unverändert.

Die auf der Messe vorgestellte Anlage wird ponticon an das wbk Institut für Produktionstechnik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) liefern. Schwerpunkt ist dort das Remanufacturing: das Aufarbeiten hochbeanspruchter, hochwertiger Komponenten, etwa aus dem Turbomaschinenbau oder den Erneuerbaren Energien. Die vollständig automatisierte Fertigungszelle besteht aus einem fünfachsigen pE3D-System mit umfassender Sensorik, einem Dreh-Fräszentrum und einem Handling-Roboter.

Dr.-Ing. Tobias Stittgen, Geschäftsführer der ponticon GmbH, sieht das System bereit für den Einsatz in der industriellen Serienfertigung: „Unsere pE3D-Maschinen haben ihre Feuerprobe an mehreren renommierten Forschungseinrichtungen in vielfältigen industrienahen Projekten bestanden. Erste Maschinen für Anwendungen in der Industrie werden 2023 in Betrieb gehen.“

ponticon auf der Formnext 2022:
Messe Frankfurt, 15. – 18. 11. 2022
Halle 12.0, Stand D39

Hintergrund: Der DMD Prozess

Das Licht eines Lasers mit mehreren kW Leistung tritt aus einem Bearbeitungskopf mit integrierter Pulverdüse aus, der die Strahlen wenige Millimeter über der Oberfläche fokussiert. Das metallische Pulver wird dem Laserstrahl durch eine eigens für den DMD-Prozess ausgelegte Düse zugeführt. Sie macht es möglich, unterschiedliche Legierungsbestandteile in nahezu beliebigen Kombinationen zu vermischen: In jedem der bis zu acht Pulverförderer kann sich ein anderes metallisches Element oder eine bereits vorgemischte Legierung befinden. Das Verfahren eignet sich damit besonders gut für die systematische Erprobung der Eigenschaften von anwendungsspezifischen AM-Legierungen. So erfreuen sich etwa Hochentropie-Legierungen in der Werkstofftechnik großer Beliebtheit, da grundsätzlich alle vorstellbaren Materialeigenschaften mit ihnen verwirklicht werden können.

Um hohe Geschwindigkeiten zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück zu erreichen, werden Laseroptik und Werkstückträger mittels einer hochdynamischen Tripod-Kinematik relativ zueinander bewegt. Die speziell für den Prozess entwickelte Stabkinematik ermöglicht es, hohe Beschleunigungen und Prozessgeschwindigkeiten zu erzielen und das Material dennoch mit hoher Präzision aufzutragen.

Durch gezielte Anpassung von Variablen wie Laserleistung, Strahldurchmesser, Pulver-Massenstrom oder Geschwindigkeit des Werkstückträgers wird der Prozess präzise geregelt.

Über ponticon

ponticon entwickelt und vertreibt Systeme und Lösungen für das Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen. Das auf höchste Dynamik ausgelegte Konzept des pE3D Systems der ponticon ermöglicht dabei die industrielle Additive Fertigung, Beschichtung und Reparatur von hochbelastbaren metallischen Bauteilen von der Stückzahl „1“ bis zur Serienfertigung. Auf der Basis desselben Verfahrens setzt das Unternehmen neue Maßstäbe im Bereich der agilen Legierungsentwicklung: Bei der aufwandsarmen Erprobung innovativer, anwendungsgerechter Werkstoffe für die Additive Fertigung profitieren die Anwender von dem auf maximale Flexibilität ausgerichteten Systemkonzept.

Abbildungen und Bildunterschriften

Bild 1: Die Laseroptik ist stationär angeordnet, der Werkstückträger bewegt sich auf einem Tripod unter der Düse. Seine Stabkinematik ermöglicht hohe Beschleunigungen und Prozessgeschwindigkeiten bei gleichzeitig hoher Präzision des Materialauftrags. Dateiname: Ponticon_DSC1312.jpg
Bild 2: Um hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück zu erreichen, ist die Laseroptik stationär angeordnet, der Werkstückträger bewegt sich auf einem Tripod unter der Düse. Dateiname: Ponticon-DSC1393.JPG
Bild 3: Das metallische Pulver wird dem Laserstrahl aus bis zu acht Pulverförderern durch Düse zugeführt; so ist es möglich, Legierungsbestandteile in nahezu beliebigen Kombinationen zu vermischen. Dateiname: Ponticon-DSC1480.JPG
Bild 4: In der fünfachsigen Ausführung ist die Hochgeschwindigkeits-Parallelkinematik mit einer zusätzlichen Dreh-Schwenkeinheit ausgestattet, die den Materialauftrag auf Werkstücke mit komplexen Geometrien möglich macht. Dateiname: Ponticon-DSC1647.JPG
Bild 5: Dr.-Ing. Tobias Stittgen (rechts) und Thomas Horr, die beiden Geschäftsführer der ponticon GmbH, vor einem pE3D System, das auf der Formnext in Frankfurt präsentiert wird. Dateiname: Ponticon-DSC1240.jpg

^{Bildrechte: Werksfotos ponticon GmbH}

Wiesbaden, Germany, September 29, 2022    At Formnext, ponticon will introduce its new pE3D system for Dynamic Material Deposition (DMD), a process developed for additive manufacturing, coating and repairing complex-shaped metallic workpieces. The new system combines high process speed with utmost precision and high flexibility in terms of the choice of alloying elements.

With the Dynamic Material Deposition process developed by ponticon alloys of any elemental compositions can be deposited on metallic and ceramic components. In contrast to conventional laser deposition methods, in the DMD process the metallic powder is already molten when it reaches the surface of the substrate which it is deposited on in successive layers.

High-performance components manufactured at high speed

In additive manufacturing, the DMD process excels in terms of versatility of materials it can process and the outstandingly high feeding rates it achieves. The benefits for the user: time-saving, high-precision manufacturing of components for the most demanding of uses. By flexibly combining the various materials and alloying elements, the system ensures that the components produced or coated have exactly the properties required for their specific use.

Highly resistant coatings for surfaces of virtually any shape

The process can also be used to cover surfaces of metallic components with metallurgically bonded coatings. Apart from the great versatility of alloys and elements that can be used in these applications, the process provides the benefit that the coatings are extremely firmly bonded with the substrate material. Thus, they can fulfill the most exacting demands in terms of wear, corrosion and high-temperature resistance.

Back in shape for extreme use

When the system is used for pinpoint repairs of components damaged as a result of broken-off metal or worn metallic surfaces, the sensors initially capture the as-is component geometry. Based on these data, the CAM software plans the path for the repair process that requires the nozzle and the workpiece carrier to be precisely aligned to one another. Once in the aligned position, the system starts to apply the new material onto the workpiece. The material is specifically adjusted to the properties of the substrate material. As the heat transfer into the base material is minimal, the material properties of the repaired components are not affected during the process.

Ponticon will supply the system shown at the trade fair to the wbk Institute of Production Science at the Karlsruher Institute of Technology (KIT). One of the Institute’s focus is remanufacturing, i.e. reconditioning high-grade components subjected to extreme in-service stresses as, for example, in turbomachinery industry or renewable energy systems. The entire, fully automatic manufacturing cell consists of the five-axis pE3D system complete with comprehensive sensor equipment, a turning lathe and a handling robot.

According to Dr. Tobias Stittgen, Managing Director of ponticon GmbH, the system is ready for use in industrial series production: “Our pE3D machines have passed the acid test in various near-industry-scale projects performed by several renowned research institutions. 2023 will see the first machines go into operation in industry.”

ponticon at Formnext 2022:
Exhibition grounds Frankfurt/Main, Germany,
from November 15 – 18, 2022
Hall 12.0, Stand D39

Background information: The DMD process

A central element of the system is the laser head with the integrated powder nozzle. The head is thus designed so the light emitted by a laser of several kW capacity is focused a few millimeters above the surface. The metallic powder is ejected towards the laser beam by means of a nozzle specifically designed for the DMD system. Different alloying materials can be mixed in virtually any combination. Up to eight powder feeders are available for up to eight different metallic elements and pre-blended alloys. This makes the system particularly suitable for systematic analysis and testing of application-specific AM alloys. In this context, materials such as high-entropy alloys are of great interest to materials scientists due to their capacity to adopt virtually any material properties imaginable.

In order to achieve high relative velocities between the printing head and the printed component, the laser optics and the workpiece carrier are moved relative to one another by means of a highly dynamic  tripod system. The parallel kinematic layout - specially designed for this process - makes it possible to achieve very high acceleration rates and process speeds while still deposition material with the highest precision.

The deposition process is precisely controllable by means of finely adjusted key parameters such as the laser power, laser beam diameter, mass flow of the powder and moving velocity of the substrate carrier.

Figures and captions

Fig. 1: While the laser optics is fix-mounted, the workpiece carrier is arranged on a movable tripod below the nozzle. The linear kinematic design of the tripod enables high-precision material deposition at very high acceleration rates and process speeds.
Fig. 2: In order to achieve high relative velocities between the printing head and the printed component, the head, including the laser optics and the powder nozzle, is fix-mounted, while the plate that serves as the carrier for the printed component is arranged on a movable tripod below the nozzle.
Fig. 3: Up to eight powder feeders convey the metallic powder via the nozzle to the laser beam. This makes it possible to mix different alloying materials in virtually any combination.
Fig. 4: In the five-axis design, the high-speed parallel kinematic system is equipped with an additional turning and tilting device to handle even the most complex geometries.
Fig. 5: Dr. Tobias Stittgen (right) and Thomas Horr, the two Managing Directors of ponticon GmbH, are standing next to a pE3D system that is going to be presented at the upcoming Formnext exhibition in Frankfurt/Main, Germany.

^{Image rights: courtesy ponticon GmbH
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About ponticon

Ponticon develops and supplies systems and solutions for high-speed laser cladding. The ponticon pE3D system is designed for dynamic, industrial-scale additive manufacturing, coating and repair of metal components - from one-off to series production - especially for components that have to withstand high in-service stresses. Ponticon uses the same basic system in alloys development, expanding the limits of traditional sample testing. Developers of innovative materials for specific AM applications can use the system for the cost-efficient and time-saving production of alloy samples, benefitting from the system’s extreme versatility.