Projektbeschreibung AddSono:
Additive Fertigung von Sonotroden für die Ultraschalltechnik und Funktionsintegration von Kühlkanälen

Ausgangslage:
Die Gestaltung aktiv oder passiv gekühlter Werkzeuge für das Ultraschallschweißen (Sonotroden) ist durch die notwendige monolithische Bauweise mit konventionellen Fertigungsverfahren stark eingeschränkt. Die additive Fertigung von metallischen Bauteilen bietet die benötigte Designfreiheit und ist für die im Sondermaschinenbau kleinen Stückzahlen sehr gut geeignet. Versuche, eine Sonotrode im additiven Laser-Powder-Bed-Fusion-Prozess (PBF-LB) zu fertigen, haben gezeigt, dass die entstehenden Bauteile auf Grund von Defekten noch nicht für die Ultraschallschweißtechnik geeignet sind.

Ziel:
Ziel des Projektes ist es, die prozessbedingten Defekte in additiven Bauteilen weiter zu reduzieren und damit innere Kerben vollständig zu vermeiden. Dies soll durch den Einsatz eines Pulvers mit Feinanteil realisiert werden.

Vorgehen:
Aktuell wird die Pulverfraktion nach der Verdüsung für den PBF-LB-Prozess durch Sieben und Sichten eingestellt. Beim Sichten werden die Pulverpartikel mit einem Durchmesser kleiner 15-20 µm entfernt, da diese Partikel die Fließfähigkeit des Pulvers verhindern, welche für die Verarbeitung in aktuellen Anlagen erforderlich ist. Dieser Feinanteil soll im Projekt genutzt werden, um die Dichte des Pulverbettes durch Auffüllen der Lücken zwischen den großen sphärischen Partikeln zu erhöhen. Damit die Verarbeitung des Pulvers möglich wird, soll ein ultraschallangeregter Beschichtungsprozess untersucht und ausgelegt werden. Durch die Anregung des Pulvers werden die Interpartikulärkräfte überwunden und das Pulver wird fließfähig.
Die Dichte des erzeugten Werkstoffes soll durch das dichtere Pulverbett gesteigert werden, da weniger Prozessgas aus dem Pulverbett verdrängt werden muss und weniger Leerstellen zwischen den Partikeln durch die Schmelze aufgefüllt werden müssen. Die Prozessstellgrößen zur Verarbeitung der angepassten Pulverfraktion müssen neu ermittelt werden, da pro Volumen mehr Masse geschmolzen werden muss und das Pulverbett optisch dichter ist, wodurch der Absorptionsgrad erhöht ist. Zur Charakterisierung des additiv hergestellten Werkstoffes werden die Dichte, das Gefüge sowie die mechanischen Kennwerte analysiert. Durch eine Wärmebehandlung sollen die Anisotropie sowie prozessbedingte Eigenspannungen reduziert werden. Beides soll sich durch gesteigerte Werkstoffzähigkeit positiv auf die Schwingfestigkeit auswirken. Die Schwingfestigkeit soll an mittels Ultraschall angeregten Probenkörpern mit typischer Belastung ermittelt werden.
Abschließend soll mit dem neu qualifizierten Prozess ein Sonotrodendemonstrator hergestellt und mit einem aus konventionellem Werkstoff gefertigten durch Vermessung mit einem Laservibrometer verglichen werden.
Positiver Nebeneffekt bei Projekterfolg: Die Ausbeute bei der Pulverherstellung und Ressourceneffizienz wird durch die Verwendung des Feinanteils und den Verzicht auf den Prozess des Sichtens deutlich gesteigert. Dadurch kann der Pulverpreis dauerhaft signifikant gesenkt und der PBF-LB-Prozess wirtschaftlicher werden.