Der in der Raumfahrt beliebte Werkstoff Titan oxidiert, wenn er bei Bearbeitungstemperaturen ab oder höher als 300 Grad Celsius mit Luft in Kontakt kommt. In der Folge verändern sich die Materialeigenschaften. Die Bauteile werden spröde und können Risse bekommen. Wenn zum Beispiel ein Roboter ein Titanwerkstück mittels Laser additiv fertigen soll, muss zunächst eine große Kammer um Roboter und Bauteil gebaut werden. Diese Kammer wird dann entweder mit einem reaktionsarmen Edelgas wie Helium oder Argon geflutet oder es muss ein Vakuum erzeugt werden, bevor die Fertigung beginnen kann. »Diese Form der globalen Prozessabschirmung mag für kleine Bauteilgrößen geeignet sein, stellt einen jedoch bei der Fertigung von Großbauteilen hinsichtlich der Prozesssteuerung und Zugänglichkeit vor erhebliche Schwierigkeiten«, erklärt Jakob Schneider der am Fraunhofer IWS zum Thema Additive Fertigung forscht. »Hinzu kommt, dass die Kosten für solch eine Kammer überproportional mit der Größe des zu schützenden Bauteils steigen, zum Beispiel die Kosten für mehrere Kubikmeter Helium oder Argon, die unter Umständen wegen Zwischenarbeitsschritten auch ab- und wieder zugepumpt werden müssen.« Ähnliches gelte für Werkstücke aus anderen »widerspenstigen« Materialien, sogenannte »Refraktärmetalle«, zum Beispiel Tantal, Niob oder Titan-Aluminium-Verbindungen.
»COAXshield« schützt Titan-Bauteile
Daher hat das IWS mit »COAXshield« einen alternativen Schutzschirm entwickelt, der das Schutzgas nur dorthin leitet, wo es wirklich gebraucht wird: direkt um die Bearbeitungszone des Laserstrahls herum, der das Metallpulver aufschmilzt und auf das Bauteil schichtweise aufträgt. Dabei handelt es sich um einen Düsenkopf, der unter gängige Bearbeitungsoptiken montiert werden kann. Er ummantelt die Pulverdüse und bildet einen Schutzgaskegel »koaxial« um die Prozesszone herum. Dieser Kegel schützt somit lediglich die heiße Bearbeitungszone, denn nur dort können Titan und Umgebungsluft miteinander reagieren.
»Durch diese Lösung spart der Anwender viel Aufwand und Kosten«, betont Jakob Schneider. »Zudem lassen sich so auch sehr große Titanbauteile additiv fertigen oder herstellen.« Ein Beispiel: Für das Röntgen-Weltraumteleskop »ATHENA« benötigt die Europäische Weltraumorganisation ESA eine Satelliten-Trägerstruktur aus Titan mit einem Durchmesser von mehreren Metern. Dafür entwickelt das IWS in Kooperation mit ihr einen Prozess und die dazugehörige Systemtechnik für die additive Fertigung. Vor diesem Hintergrund wurde die »COAXshield« entwickelt. Anfang 2020 soll diese Technik marktreif sein.
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
