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Großflächige Beschichtungsaufgaben ist der Laser bislang nicht gewachsen. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT hat ein neues Verfahren entwickelt, mit dem beim Laserauftragschweißen extrem hohe Geschwindigkeiten möglich sind. Auch die entsprechenden Lasersysteme sind bereits auf dem Markt.
In Kraftwerken, Produktionsanlagen, aber auch in vielen anderen Anwendungen gibt es metallische Bauteile, die ständig Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, hohen Temperaturunterschieden oder aggressiven Chemikalien ausgesetzt sind. Um sie vor Korrosion und Verschleiß zu schützen, werden sie daher mit einer Schicht aus widerstandsfähigen Materialien überzogen.
Die Industrie setzt traditionell auf die Galvanik, zum Beispiel die Hartverchromung. Aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Gesundheits- und Umweltverschmutzung werden diese Methoden jedoch zunehmend kritisiert. So sind beispielsweise die Zulassungsanforderungen für die Hartverchromung durch Reach (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals) in den letzten Jahren sehr streng geworden. Hierbei handelt es sich um eine EU-Chemikalienverordnung zum Schutz der menschlichen Gesundheit und der Umwelt vor Risiken durch Chemikalien, deren Umsetzung von der Europäischen Chemikalienagentur (Echa) organisiert und kontrolliert wird. Ein weiteres, etwas neueres Verfahren ist das thermische Spritzen, bei dem geschmolzene Metallpartikel auf die zu schützenden Oberflächen geschleudert werden. Das thermische Spritzen bietet eine größere Flexibilität hinsichtlich der verwendbaren Materialien, da die Beschichtung jedoch keine metallurgische Verbindung mit dem Bauteil eingeht, löst sie sich schneller ab. Außerdem besteht die Gefahr von Rissbildung und Porenbildung.
Diese Nachteile gibt es beim Laserauftragsschweißen nicht. Damit ist es bereits ein beliebtes Verfahren für viele Beschichtungsaufgaben. Allerdings stößt das Laserauftragsschweißen bisher bei seiner Bearbeitungsgeschwindigkeit für großflächige Teile an seine Grenzen. Zudem lag die Mindestschichtdicke bisher bei etwa 500 µm. Dünnere Schichten waren nicht möglich. Diese Hürden hat das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) nun überwunden. Das ILT hat ein Verfahren entwickelt und patentiert, das sehr schnelle Beschichtungsprozesse mit geringen Schichtdicken für rotationssymmetrische Bauteile ermöglicht: das extrem schnelle Laserauftragschweißen (EHLA).
Das Laserauftragsschweißen funktioniert in der Regel so: Ein Laser erzeugt auf dem zu bearbeitenden Werkstück ein Schmelzbad, in das Düsen koaxial zum Laserstrahl Metallpulver einblasen. Diese verschmilzt mit der Oberfläche zu einer poren- und rissfreien Beschichtung mit metallurgischer Verbindung zum Bauteil.
Das EHLA-Verfahren funktioniert etwas anders: Die Pulverdüsen sind höher angeordnet, sodass das Pulver bereits oberhalb des Schmelzbades in das Laserlicht eindringt, das es auf dem Weg zum Bauteil bis nahe an den Schmelzpunkt erhitzt. Die Partikel im Schmelzbad schmelzen schneller, was die Schichtbildung enorm beschleunigt. Entsprechend kann sich das rotationssymmetrische Bauteil unter der Optik schneller drehen, was die Gesamtprozessgeschwindigkeit deutlich erhöht. Während beim normalen Laserauftragschweißen nur 10 bis 40 cm²/min beschichtet werden können, erreicht das EHLA-Verfahren Oberflächenleistungen von über 250 cm²/min. Dies wiederum ermöglicht Vorschubgeschwindigkeiten im Bereich von 10 bis 500 m/min. Die hohe Prozessgeschwindigkeit ermöglicht auch dünne Schichten im Bereich von 10 bis 300 µm. Dabei bleiben die beiden Hauptvorteile des Laserauftragsschweißens erhalten. Bei verschiedenen Beschichtungsmaterialien lässt sich die Schicht exakt auf das Grundmaterial und die Aufgabenstellung abstimmen und geht mit dem Trägermaterial eine dauerhafte metallurgische Verbindung ein.
Da das Pulver früher in den Strahl eintaucht, kann das Verfahren auch mit einem kleineren Fokusfleck arbeiten. Während beim normalen Laserauftragsschweißen ein Fokusdurchmesser von 2 bis 3 mm Standard ist, liegt er beim EHLA-Verfahren bei etwas weniger als 1 mm. Mit einem Scheibenlaser sind sogar ca. 0,4 mm möglich. Die feinere Fokussierung ermöglicht ein deutlich energieeffizienteres Arbeiten: Statt 4 bis 20 kW im Standardverfahren reichen jetzt 2 bis 4 kW.
Dank des EHLA-Verfahrens ist das Laserauftragsschweißen nun auch eine Alternative zur Beschichtung großflächiger Bauteile. Denn jetzt kann das Verfahren beides: hochwertige Beschichtungen ab 10 µm mit hoher Prozessgeschwindigkeit auftragen.
Trumpf bietet seit vielen Jahren Anlagen zum Laserauftragsschweißen an und die vom Fraunhofer ILT entwickelte neue Bearbeitungsoptik lässt sich direkt in bestehende Trumpf-Anlagen integrieren. Dies gilt sowohl für Dioden- als auch für Scheibenlaser als Strahlquelle. Je nach Größe der zu bearbeitenden Bauteile stehen auch unterschiedliche Laserbearbeitungszellen zur Verfügung.
Die neue Grenze ist jetzt die Vorschubgeschwindigkeit. Die mit dem EHLA-Verfahren möglichen Prozessgeschwindigkeiten lassen sich zunächst nur bei der Bearbeitung von rotationssymmetrischen Bauteilen mit stationärer Optik realisieren. Bei flachen Bauteilen müsste der Bearbeitungskopf mit hohen Geschwindigkeiten über das Bauteil fahren. Laserschneidmaschinen von Trumpf eröffnen hier eine neue Perspektive. Sie sind genau auf diese schnellen Linearbewegungen über eine Fläche ausgelegt und kommen den Anforderungen des EHLA-Verfahrens schon sehr nahe. Eine Validierung steht noch aus.
* Dr. Antonio Candel-Ruiz ist Experte für Laseroberflächenprozesse bei der Trumpf GmbH + Co. KG in 71254 Ditzingen
Premiere! Türken machen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen mobil
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