LASER-Draht-Auftragsschweißen in Schwerelosigkeit (LADA)
Beim Laser-Draht-Auftragschweißen wird mithilfe eines Lasers als Energiequelle ein Metalldraht zum Schmelzen gebracht und auf eine ebenfalls mit dem Laser erhitzten metallische Grundlage aufgetragen. Durch das zeilen- bzw. schichtweise Auftragen und dem anschließenden Erstarren der Schmelze entsteht ein dreidimensionales Bauteil, ähnlich der Funktionsweise eines 3D Druckers, der Kunststoffe extrudiert. Während die additive Fertigung von Bauteilen aus Kunststoffen bereits auf der internationalen Raumstation erprobt wird, ist die (technisch wichtigere) Fertigung von Metallbauteilen bislang nicht untersucht worden. Unser Projekt soll dazu beitragen, das Verfahren des Laser-Draht-Auftragschweißens auch für Weltraummissionen (in Schwerelosigkeit) und Anwendungen unter reduzierter Schwerkraft (Mond, Mars) zu erschließen. Das Verfahren könnte es ermöglichen, notwendige Bauteile direkt vor Ort, beispielsweise auf Raumstationen oder zukünftigen Mond- und Marsmissionen, herzustellen, wodurch Flexibilität erhöht und die Menge der mitzuführenden Ersatzteile reduziert werden könnte.
Wesentliche Einflussfaktoren auf das Prozessergebnis sind neben materialspezifischen Größen wie Schmelzpunkt und Absorptionsverhalten die Prozessparameter wie Laserleistung, Strahlprofil, Vorschubgeschwindigkeit, Drahtzufuhr oder Schutzgasstrom, die es zu kontrollieren gilt. Die Optimierung der Prozessparameter ist Gegenstand aufwendiger Forschungsarbeiten. Während solche Prozesse auf der Erde bereits gut untersucht wurden und in vielen Fällen technisch beherrscht werden, ist das Verhalten unter Schwerelosigkeit weitgehend unbekannt. So entfallen gravitationsgetriebene Konvektionseffekte und das Zusammenfließen der Metallschmelze wird nicht mehr durch die Schwerkraft unterstützt. Arbeiten zum Lichtbogenschweißen unter Mikrogravitation zeigen einen deutlichen Einfluss der Schwerelosigkeit auf die Form des Schmelzbads und die Erstarrung sowie das Verhalten
von Blasen in der Schmelze. Auch beim Laserstrahlschweißen können deutliche Schwerkrafteinflüsse auf das Prozessverhalten nachgewiesen werden. Untersuchungen für das Laser-Draht-Auftragschweißen liegen bisher noch nicht vor.
Unsere Schmelzversuche werden mit einem 500 W Faserlaser durchgeführt. Als Werkstoff ist neben Aluminium auch Titan vorgesehen, da dieses relevant für Raumfahrtanwendungen ist, und eine gute Schweißbarkeit aufweist. In einer ersten Versuchsreihe werden zunächst Einzelschmelzspuren ohne das Einbringen eines Drahtes untersucht, um ein bereits bestehendes Simulationsmodell zu qualifizieren. Die in situ Beobachtung des Schmelzprozesses erfolgt mittels der speziell für den Einsatz in Schwerelosigkeit entwickelten Röntgenanlage HORUS. In dieser wird das Schmelzbad mit Röntgenstrahlen durchstrahlt und es wird ein Film der Projektion von dem fortschreitenden Prozess erstellt. In der zweiten Versuchsreihe wird ein aufgelegter Metalldraht bei unterschiedlichen Prozessparametern mit dem Substrat verschweißt. Zur weiteren Auswertung erfolgt im Anschluss eine metallografische Auswertung der Schmelzbaddimensionen. Durch Abgleich mit den experimentellen Ergebnissen aus HORUS soll die Simulation schrittweise verbessert werden, sodass quantitative Übereinstimmung erreicht wird. In einer Reihe von später folgenden Experimenten soll dann die prädiktive Leistung der Simulation getestet werden.