Additive adaptive Reparatur-Prozesskette Mittels Scangineering und Schweiß-Knowhow zum reparierten Umformwerkzeug

Ein Gastbeitrag von Max Biegler, Stephan Mönchinger, Vinzenz Müller, Michael Rethmeier

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Zum wirtschaftlichen und nachhaltigen Einsatz von Stanz- und Formwerkzeugen ist in der Regel eine Reparatur der verschlissenen Werkzeuge erforderlich. Das Additive Fertigungsverfahren Laser-Powder Directed Energy Depositon (LP-DED) in Kombinationen mit intelligenten Reverse-Engineering-Ansätzen bietet die Möglichkeit, Bauteile materialschonend und effizient zu reparieren.

Die additive, adaptive Reparaturprozesskette am Beispiel eines Demonstrators: Verarbeitung und Parametrisierung der Scan-Daten, Generierung und Auftragsimulation der Schweißbahnen, Reparaturschweißung mittels LP-DED und das eparierte Bauteil vor dem Rekonturieren und Polieren.
Die additive, adaptive Reparaturprozesskette am Beispiel eines Demonstrators: Verarbeitung und Parametrisierung der Scan-Daten, Generierung und Auftragsimulation der Schweißbahnen, Reparaturschweißung mittels LP-DED und das eparierte Bauteil vor dem Rekonturieren und Polieren.
(Bild: Fraunhofer-IPK)

Die additive Fertigung (AM) wird heute in vielen Branchen und Anwendungen zunehmend eingesetzt. Neben dem Aufbau ganzer Bauteile werden AM-Verfahren zur Reparatur von Bauteilen wie Umformwerkzeugen für die Blechbearbeitung eingesetzt. Als besonders effiziente Reparatur-Technologie hat sich das Laser-Powder Directed Energy Deposition (LP-DED) Verfahren etabliert. Mit einem Laserstrahl wird ein Schmelzbad erzeugt, in das ein metallischer Zusatzwerkstoff gefördert wird und aufschmilzt. Durch Düsen- oder Bauteilbewegung entstehen Beschichtungen und komplexe 3D-Strukturen. Auf diese Weise kann LP-DED eingesetzt werden, um verschiedenste Bauteile durch lokales Aufschweißen automatisiert zu reparieren und wieder einsatzfähig zu machen.

3D-Scans helfen bei der Defekterkenung

Die Reparatur von komplexen, individuellen Schadstellen umfasst in der Regel die folgende Prozesskette:

  • 3D-Scan des defekten Bauteils inkl. Schadstelle
  • Bauteilvorbereitung (z.B. Schleifen oder Ausfräsen der Schadstelle)
  • 3D-Scan des vorbereiteten Bauteils
  • Verarbeitung gescannten Daten, fehlerhafte Bereiche erfassen und Differenzvolumen generieren
  • Planung der Werkzeugwege (CAM) für den LP-DED-Reparaturprozess
  • Additiver Reparaturprozess
  • Wärmebehandlung und Nachbearbeitung

Defekte bei Stanz- oder Formwerkzeuge wie abgeplatzte Kanten, Einkerbungen oder flächiger Verschleiß sind meistens sehr individuelle und komplexe Schadstellen. Für solche komplexen Defekte stellen vor allem das Reverse Engineering sowie die Programmierung der Reparatur-Schweißbahnen Herausforderungen dar. Das Reverse Engineering wird heutzutage zu großen Teilen manuell durchgeführt, was geschultes Fachpersonal und einen hohen Zeitaufwand erfordert – der Reparatur wird zu aufwändig und teuer. Daneben ergeben sich bei Reparaturschweißungen an Formwerkzeuge materialtechnische Herausforderungen, da die verwendeten Materialien z.B. durch einen hohen Kohlenstoffgehalt schwer schweißbar sind. Gleichzeitig müssen die reparierten Bereiche den Anforderungen an Beständigkeit und Härte entsprechen.

Wissenschaftler des Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK haben sich dieser Problemstellung angenommen und eine durchgängige, automatisierbare Lösung entwickelt. Dank automatisierter Bauteilerfassung, geometriebasierter Modellierung und moderner AM-Verfahren können defekte Bauteile mit geringem technischem Aufwand wieder in Betrieb genommen werden.

Scangineering: Automatisiertes Reverse Engineering

Die am Fraunhofer-IPK entwickelte Software „Scangineering“ ermöglicht die Automatisierung von aufwändigen Schritten in der Verarbeitung von 3D-Daten. Im Vergleich zu manuellen Reverse-Engineering-Methoden werden Punktwolken durch Algorithmen zu parametrischen 3D-Elementen wie Flächen oder Radien übersetzt. Der Nutzer kann an jeder Stelle des Prozesses beteiligt sein, gleichzeitig wird er aber von repetitiven Schritten entlastet. Mittels Scangineering können komplexe Bauteile, aber auch andere Objekte wie Maschinen oder sogar Gebäude einfach und schnell als virtuelle Modelle nutzbar gemacht werden. Bevor mit der Modellrekonstruktion begonnen werden kann, werden die bis zu mehrere Millionen Datenpunkte enthaltenen Scans vorverarbeitet – falsch erkannte Punkte werden entfernt und die Punktdichte optimiert. Anschließend beginnt mit der Segmentierung die Modellrückführung. Die geometrischen Eigenschaften der Punktwolke werden ermittelt und zu Clustern zusammengefasst. Diese Cluster werden dann in sogenannte Features - Gestaltungselemente von CAD-Systemen - klassifiziert. Schließlich werden sie zu einem parametrisierten 3D-Modell zusammengesetzt. Aus diesen Modellen können dann Differenzvolumen zwischen Ist- und Soll-Geometrie errechnet und für die Planung der Schweißbahnen verwendet werden.

Die mathematisch bestimmten Volumina, Flächen und Kurven, die die Scangineering-Software ausgibt, reduzieren bei der Planung der Werkzeugwege den Bedarf an zusätzlichen zu erstellenden Hilfsgeometrien. Sie erleichtern und beschleunigen so besonders für komplexe Multi-Achs-DED-Systeme den Programmierprozess. Mittels DED-Aufbausimulation und Überprüfung der Verfahrwege können die Werkzeugwege verifiziert und etwaige Kollisionen schon in der Software erkannt und behoben werden.

Der letzte Schritt ist die Auslegung der Prozessparameter und die eigentliche Bauteilreparatur. Hier ist werkstofftechnisches Know-how gefragt, um eine metallurgisch hochwertige und beständige Reparatur zu gewährleisten. Werkstoffspezifische Eigenschaften müssen berücksichtigt werden. Der hohe Kohlenstoffgehalt in Werkzeugstählen etwa begünstigt hohe Härtewerte – diese sind zur Erhöhung der Standzeiten erwünscht. Weiterhin können Wärmebehandlungen die Eigenschaften weiter verbessern. Formwerkzeuge haben in der Regel hohen Anforderungen an Oberflächengüten, die durch die Reparaturschweißung normalerweise nicht erfüllt werden können. Reparierten Werkzeuge werden daher mechanisch durch Fräsen, Schleifen oder Polieren nachbearbeitet.

Datenverarbeitung und Prozessprogrammierung als größte Herausforderungen

Laser-Powder Directed Energy Deposition eignet sich dank seiner hohen Reproduzierbarkeit und des geringen Wärmeeintrags hervorragend als Werkzeug zur Reparatur von metallischen Bauteilen. Bei individuellen und komplexen Defekten, wie sie häufig an Umformwerkzeugen auftreten, sind die Datenverarbeitung sowie die Prozessprogrammierung neben den schweißtechnischen Aspekten die größten Herausforderungen. Durch die am Fraunhofer-IPK entwickelte Automatisierung des zeitintensiven Reverse Engineerings kann der personelle Aufwand deutlich reduziert werden. Durch parametrisierte, scan-basierte CAD-Modelle lassen sich Werkzeugwege für komplexe Geometrien einfacher berechnen und Reparaturschweißungen schneller und adaptiv durchführen.

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