8. Mai 2018

Effektiv optimierte Oberflächen


				
					Laser immunisieren Bauteiloberflächen

Laser immunisieren Bauteiloberflächen gezielt gegen Verschleiß und Korrosion. Die Verfahren bieten sich auch zur Nachbearbeitung 3D-gedruckter Bauteile an.

Laserauftragschweißen ist zum Aufbringen von Schutzschichten gegen Reibung, Korrosion oder Hitze auf Bauteile auf dem Vormarsch. Wahlweise wird hierfür per Laser Metalldraht oder im Schutzgasstrom ausgedüstes Metallpulver auf Bauteiloberflächen aufgeschmolzen. Neben dem Verschleißschutz dient das Verfahren der Instandsetzung von Schäden und Verschleiß.

Im Einsatz sind leistungsstarke, teils fasergekoppelte Festkörperlaser im Leistungsbereich von 1 bis 10 kW. Laserbasierte Sensorsysteme überwachen den Prozess inline und sammeln digitale Daten für einen vollautomatisierten, qualitätsgesicherten Ablauf der Beschichtung: Anhand von 750 Messungen pro Sekunde wird die Linsenposition so gesteuert, dass sich der Fokuspunkt des Bearbeitungslasers in konstantem Abstand über die bearbeitete Oberfläche bewegt.

Effizienzschub für das Laserauftragschweißen

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Laser Technologie (ILT) und der RWTH Aachen haben dieses Verfahren zum „extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen“ (EHLA) weiterentwickelt. Es steigert die bisherigen Vorschubgeschwindigkeiten um ein 100- bis 250-Faches auf bis zu 500 Meter pro Minute. Zugleich lassen sich damit weitaus dünnere Schichten aufbringen. Statt typischer Schichtdicken um 0,5 Millimetern erlaubt das EHLA-Verfahren laut ILT den homogenen Auftrag 25 bis 250 Mikrometer dünner Metallschichten. Dank dieser Fortschritte wird das Laserauftragschweißen zu einer ernstzunehmenden Konkurrenz für etablierte Beschichtungsverfahren. Denn anders als beim Hartverchromen sind keinerlei Chemikalien im Einsatz und gegenüber dem Thermischen Spritzen besticht das Laserverfahren durch weit höhere Materialeffizienz und Wirtschaftlichkeit. Der wichtigste Vorteil liegt allerdings in der Qualität: Es entstehen stoffschlüssige Beschichtungen ohne Poren und Risse, die Oberflächen länger und effizienter gegen Verschleiß und Korrosion immunisieren.

Die rasante Bearbeitungsgeschwindigkeit und hohe Oberflächengüte erzielen die Forscher, indem sie die Pulverschmelze von der Bauteiloberfläche abkoppeln. Die Pulverpartikel gelangen als Tropfen ins Schmelzbad auf dem Bauteil. Dadurch werden die Schichten glatter; gegenüber dem herkömmlichen Laserauftragschweißen sinkt ihre Rauheit um 90 Prozent. Zudem ist der Prozess schonender. „Durch EHLA wird das Material nur im Mikrometerbereich thermisch beeinflusst“, meldet das ILT. Bisher drang die Wärme millimetertief ein. Damit lassen sich nun auch hitzeempfindliche Komponenten per Laser beschichten und schwierige Kombinationen mit Aluminium- oder Gusseisenlegierungen realisieren. Das Verfahren kann nach Einschätzung der Forscher in vielen Fällen die zeit- und kostenaufwändige Nachbearbeitung per Fräse ablösen. Stattdessen wird Material auf Rohlinge aufgeschmolzen, die bei Bedarf noch gedreht werden können. Statt in Stunden werden aus Rohlingen in Minuten lieferfertige, verschleiß- und korrosionsbeständige Komponenten. TRUMPF hat das EHLA-Verfahren bereits in die Serienproduktion übernommen.

Laser-Plasmaprozess härtet Aluminium-Oberflächen

Andere Wege zum Verschleißschutz per Laser schlägt die im niederländischen Technologiekonzern Aalberts beheimatete AHC-Oberflächentechnik GmbH ein. Ihr patentiertes LASOX-COAT®-Verfahren härtet Aluminiumlegierungen mit circa 10 Mikrometer starken Aluminiumoxidschichten (Korund, Al2O3), die Vickershärten von bis zu 2.000 HV aufweisen. Dafür wird der Laserstrahl in Sauerstoffatmosphäre auf die Bauteiloberfläche gerichtet. Der Laser lässt Legierungspartikel schmelzen und verdampfen, die unter Einfluss der Laserenergie mit Sauerstoffplasma zu Korund reagieren. Für die gezielte und damit kostengünstige Beschichtung genügt es, den Laserstrahl nur dort über das Bauteil zu führen, wo die Belastungen tatsächlich auftreten. Auch dort muss der Verschleißschutz nicht vollflächig aufgebracht werden. Schon selektiv erzeugte Korund-Muster schützen vor Verschleiß. Da der LASOX-COAT®-Prozess Oberflächen im Gegensatz zu Tauchbeschichtungen ohne Chemie und nur dort behandelt, wo Schutz nötig ist, ist er höchst effizient und umweltverträglich. Hinzu kommen Laser-typisch hohe Freiheitsgrade: auch abgerundete Flächen lassen sich beschichten. Damit bietet sich der Einsatz in der Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Bauteile an. Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass 30 bis 35 Prozent der Gesamtkosten im Additive Manufacturing auf die Nachbehandlung entfallen. Hier könnte sich ein erhebliches Marktpotential für innovative Laserbeschichtungsverfahren auftun.

 
 
 
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