Plasma Prozess

Der Plasma-Prozess ist ein ALM (Additive-Layer-Manufacturing) Prozess. Eine Art Rapid-Prototyping Verfahren. Im Unterschied zu herkömmlichen Rapid-Prototyping Verahren können hier jedoch voll funktionsfähige Endkonturnahe Bauteile oder Halbzeuge hergestellt werden. ALM-Prozesse finden zur Zeit große Beachtung aufgrund der umfangreichen Möglichkeiten. Es können Bauteile oder Halbzeug direkt von der CAD DAtei erzeugt werden. ALM Prozesse benötigen eine CNC gesteurte Einheit für die Steuerung der Hitzequelle mit dem das Pulver bzw. der Draht erschmolzen wird. Die Hitzequelle kann ein Laser, Elektroenstrahl oder Plasma-Flamme sein. Laser oder Elektronstrahlquellen basierte Prozesse haben jedoch sehr niedrige Aufbauraten von max. 1.5Kg/h. Laser basierte Systeme sind vergleichsweise teuer.

Um das Problem der niedrigen Aufbaurate zu lösen wurde der Plasma-Porzess entwickelt.

Dieser Prozess ist ein Durchbruch für die Produktion von low-cost Titan Hochleistungskomponenten.

Bild 1: Plasma Prozess Anlage

Plasma-Prozess Übersicht:

  • Hohe Aufbauraten abhängig von der Stärke der Plasma-Flamme von bis zu 100Kg/h. Höhere Aufabauraten möglich mit mehreren parallel arbeitenten Plasma-Flammen.

  • Diese Aufbauraten sind höher als JEDER andere ALM (Additive-Layer-Manufacturing) Prozess.

  • Es wird KEIN Vakuum benötigt wie bei anderen ALM-Prozessen.

  • Die Kosten für eine Plasma-Flamme sind wesentlich niedriger als bei Elektronenstrahl oder Laser basierten Systemen.

  • Es können sowohl Metallpulver als auch Metalldraht verwedent werden. Speziell für den Plasma-Prozess wurde ein neues hochreines low-cost Titanpulver entwickelt.

  • Hochleistungs Titankomponenten hoher Quanlität können mit dem Plasma-Prozess in kurzer Zeit realisiert werden.

  • Mit dem Plasma-Prozess kann ein großes Spektrum von unterschiedlichen Metallen hergestellt werden. Metalle wie Titan, Stahl, Aluminium, MAgnesium, MMC's, intermetallische und andere. Legierungen die sehr schwere Legierungselemente können sicher hergestellt werden weil der Plasma-pool klein ist und es daher keien Segregierungen gibt wie bei konventioneller Schmelzmetallurgie.

  • Der Plasma-Prozess ist sehr effektiv für die Herstellung von Ringen, Platten und auch Blechen. Für Platten werden mehrere Plasma-Flammen verwendet.

  • Die Plasma Anlage verfügt über vier Pulverzuführeinheiten. Damit können Metall-Verbundwerkstoffe (MMC's) hergestellt werden.

  • Titan, Titan-MMC's, intermetallische Titan sowie andere Metalle komplexer Struktur können mit kurzer Lieferzeit hergestellt werden.

Bild 2: Gefüge von Titan Ti-6Al-4V hergestellt mit dem Plasma-Prozess.

Bild 3: Pleuelstangen hergestellt mittels Plasma-Prozess und Schmieden aus einer Titanlegierung mit hohem E-Modul.

Bild 4: Titan-Ring mit D=385mm und einem Gewicht von 45Kg hergestellt mittels Plasma-Prozess. 

 

Bild 5: Luftfahrt-Komponenten hergestellt mittels Plasma-Prozess.

 

Legierungen

 

Mit dem Plasma Prozess hergestellte Komponenten haben durch die höhere Abkühlgeschwindigkeit eine höhere Festigkeit und feineres Gefüge als bei Standardprozessen. Die Legierungen können während des Prozesses legiert werden. Dadurch ergeben sich nahezu unbegrenzte Möglichkeiten Herstellung von Legierungen. Es können hochfeste, hochmodul, intermetallische Titanlegierungen sowie Titan-MMC hergestellt werden. Der Partikelanteil kann bei Titan-MMC's 0-80% betragen. Für Struktur-Bauteile sind Partikelgehalte von 2-12% sinnvoll. Hohe Partikelgehalte von 30-60% werden vor allem für Panzerungen verwendet. Bei Bremsscheiben werden ebenfalls Partikelgehalte von 30-60% SiC in einer Aluminium-Matrix verwendet. Diese lassen sich mit dem Plasma-Prozess wesentlich einfacher herstellen als mit etwa Sinterverfahren.

 

Alloy

Unit

Ti-6Al-4V

Ti-6Al-4V

Ti-Al-V-Cr

Ti-Al-V-Cr

Ti-Al-Fe-B

g-Ti-Al

 

 

Wrought

Plasma

HT1-Plasma

HT2-Plasma

Plasma

Plasma

UTS

MPa

1.020

1.105

1.540

1.356

1.245

540

YS

Mpa

910

1.010

1.435

1.290

1.160

470

Elongation

%

12

14

4

7

4

1-2

Modulus

GPa

114

114

122

122

152

172

Bild 6: Eigenschaften von Plasma Titanlegierungen

 Kosten

Es kann eine Vielfalt von Titanpulvern oder Titandrähten für den Plasma Prozess verwednet werden. Es wurde aber ein spezielles low-cost Titanpulver entwickelt. Mit diesem Titanpulver können Titan Komponenten, je nach Legierung, für 6-15 Euro/Kg hergestellt werden. Dies ist nur ein drittel des Preises herkömmlicher Titankomponenten oder Halbzeuge.

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