Dr.-Ing. Elena Lopez
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
The manufacturing of large components by means of Additive Manufacturing (AM) is increasingly gaining attention as the technology becomes more mature. Within feasible technologies for the fabrication of such parts, laser-based large area Direct Energy Deposition (DED) plays a significant role due to the multi-material and the near net shape capabilities, among others. The motivation to realize large scale parts by means of DED are for example, enabling new complex approaches (like topology optimization, lightweight design or function integration), optimizing the buy-to-fly ratio of large parts, introducing cost efficient hybrid approaches using pre-products or reducing lead times.
In this invited contribution, an extended technological state-of-the art together with and overview of chances and challenges of this group of technologies will be presented, ending up with a review of the wide range of intersectoral applications for large area laser-based DED currently available, i.e. in the mobility, tooling, aerospace or space sectors with focus on titanium alloys (i.e. Ti6Al4V), and aluminium alloys (i.e. AlSi, AlCu). Furthermore, expected technological developments in this field in the next years, economic viability and feasible scenarios for the industrial consolidation of laser-based large area Direct Energy Deposition will be pointed out and discussed in detail.
Components with topology-optimized design are characterized by load-bearing structures that correspond to the actual load curves and load sizes. As a result, local underloads caused by limi- tations of conventional manufacturing processes, can be greatly reduced and, in some cases, con- siderable weight reductions can be achieved. Generative manufacturing processes are predes- tined for the realization of load-optimized, organically shaped structures, as they enable the im- plementation of complex component designs. Powder bed-based processes such as Selective La- ser Melting (SLM) or Electron Beam Melting (EBM) are frequently used for the production of small components since these processes are limited in maximal component size (0.8m x 0.4m x 0.5m) and have relatively low build-up rates. However, today's demand from cost driven industrial sec- tors such as the automotive one, is pushing the application of such design structures to large com- ponents with small batch sizes. The AGENT 3D research project "TopoGross" presented here is intended to make a significant contribution for the application of Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA) technology both for the production of massive components and for the economically com- petitive manufacture of lightweight designed large structures. In the latter case, an example of application is the additive manufacturing of stiffening elements directly welded over thin metal sheets to be used as sidewalls elements in rail vehicles. The development of such application, when integrated in the manufacturing chain, is expected to endorse a significant reduction in man- ufacturing time and material usage compared to the state of the art production process. This could enable an economically viable combination of series production processes with additive manu- facturing integrated as a manufacturing step.
Topologieoptimiert ausgelegte Bauteile zeichnen sich durch tragende Strukturen aus, die den tat- sächlichen Lastkurven und Lastgrößen entsprechen. Dadurch können lokale Unterbelastungen, die durch die Grenzen konventioneller Fertigungsverfahren verursacht werden, stark reduziert und zum Teil erhebliche Gewichtsreduzierungen erzielt werden. Generative Fertigungsverfahren sind prädestiniert für die Realisierung belastungsoptimierter, organisch geformter Strukturen, da sie die Umsetzung komplexer Bauteildesigns ermöglichen. Für die Herstellung kleiner Bauteile werden häufig pulverbettbasierte Verfahren wie Selective Laser Melting (SLM) oder Electron Beam Melting (EBM) eingesetzt, da diese Verfahren in der maximalen Bauteilgröße begrenzt sind (0,8m x 0,4m x 0,5m) und relativ geringe Aufbauraten aufweisen. Die heutige Nachfrage aus kos- tengetriebenen Industriezweigen, wie z.B. der Automobilbranche, forciert jedoch die Anwendung solcher Konstruktionsstrukturen auf große Bauteile mit kleinen Losgrößen. Das hier vorgestellte AGENT 3D-Forschungsprojekt "TopoGross" soll einen wesentlichen Beitrag für die Anwendung der Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA)-Technologie sowohl für die Herstellung massiver Bau- teile als auch für die wirtschaftlich konkurrenzfähige Fertigung von Leichtbau-Großstrukturen leisten. Im letzteren Fall ist ein Anwendungsbeispiel die additive Fertigung von Versteifungsele- menten, die direkt über dünne Bleche geschweißt werden und als Seitenwandelemente in Schie- nenfahrzeugen zum Einsatz kommen. Es wird erwartet, dass die Entwicklung einer solchen An- wendung, wenn sie in die Fertigungskette integriert wird, eine signifikante Reduzierung der Fer- tigungszeit und des Materialverbrauchs im Vergleich zum Stand der Technik ermöglicht. Dies könnte eine wirtschaftlich sinnvolle Kombination von Serienfertigungsverfahren mit der additi- ven Fertigung als integriertem Fertigungsschritt ermöglichen.
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