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ILA entwickelt neues Hochleistungs-Laserschweißverfahren

Mit dem neuen EHLA-Verfahren lassen sich Metallschutzschichten in Hochgeschwindigkeit aufbringen. Foto: Fraunhofer ILT / Volker Lannert.
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Ab September 2017 ist das Härten von Bauteilen via Chrom(VI)-Beschichtung aufgrund seiner Umweltschädlichkeit regulär nicht mehr erlaubt. Als Alternative zu diesem und anderen mängelbehafteten Verschleißschutzverfahren bietet sich das „Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen“ (EHLA) an, das am Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT) entwickelt wurde.
Bauteile vor Verschleiß und Korrosion zu schützen ist keine einfache Angelegenheit: Die bisher üblichen Verfahren (insbesondere das Hartverchromen und das thermische Spritzen) sind mit deutlichen Nachteilen behaftet, und das Laserauftragschweißen konnte sich bislang nur vereinzelt durchsetzen. Forscher des Fraunhofer ILT in Aachen und der RWTH Aachen University haben mit dem extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen nun ein alternatives Verfahren entwickelt, welches die Defizite der herkömmlichen Methoden in den Bereichen der Beschichtungstechnik und Reparatur beseitigen soll.
„Mit EHLA können wir erstmalig dünne Schichten im Bereich von Zehntel-Millimetern auf große Flächen in kurzer Zeit ressourceneffizient und wirtschaftlich auftragen“, fasst Dr.-Ing. Andres Gasser, Gruppenleiter am Fraunhofer ILT, die Vorteile zusammen.
Eine Alternative zum bald verbotenen Hartverchromen
Eines der bisher noch gebräuchlichen Verfahren für den Verschleiß- und Korrosionsschutz ist die Hartverchromung. Diese verbraucht allerdings viel Energie – zudem schädigt das verwendete Chrom(VI) die Umwelt. Ab September 2017 darf es daher nur noch nach Autorisierung eingesetzt werden.
Das EHLA-Verfahren will Unternehmen nun eine wirtschaftliche Alternative bieten. Da keinerlei Chemikalien zum Einsatz kommen, ist das Verfahren sehr umweltfreundlich; die entstehende Beschichtung ist stoffschlüssig mit dem Grundstoff verbunden, und im Gegensatz zur Hartchromschicht kann sie nicht abplatzen. Während die Schichten aus der Hartverchromung Poren und Risse aufweisen, sind die per EHLA erzeugten Schichten dicht und schützen damit das Bauteil wesentlich effizienter und langfristiger.
Ressourcenschonender als thermisches Spritzen
Auch das thermische Spritzen bringt Nachteile mit sich: Da nur etwa die Hälfte des eingesetzten Materials später die Bauteil-Oberfläche bedeckt, verbraucht dieses Verfahren sehr viele Ressourcen. Zudem haften die entstehenden Schichten schwach am Substrat. Da sie porös sind, müssen zudem stets mehrere, etwa 25 bis 50 Mikrometer dicke Schichten übereinander aufgetragen werden.
Anders beim neuen Verfahren EHLA: Hier wird rund 90 % des Materials genutzt, das Verfahren ist somit weitaus ressourcenschonender und wirtschaftlicher. Bereits die Einzelschichten sind dicht, zudem ist die Beschichtung fest mit dem Substrat verbunden.
Schneller und breiter einsetzbar als Laserauftragschweißen
Über das Laserauftragschweißen lassen sich verschiedene Materialien hochwertig beschichten. Allerdings ist das Verfahren für große Bauteile zu langsam – im Verschleiß- und Korrosionsschutz konnte es sich daher bislang nur vereinzelt durchsetzen. Ein weiteres Manko des Verfahrens besteht im verfahrensbedingt hohen Wärmeeintrag ins Bauteil: Das Bauteil wird lokal aufgeschmolzen, während eine Pulverdüse einen pulverförmigen Zusatzstoff in das Schmelzbad lenkt.
„Beim EHLA schmilzt der Laser die Pulverpartikel bereits oberhalb des Schmelzbades auf“, erläutert Dr. Gasser den Kernpunkt des neuen Verfahrens. Da flüssige Materialtropfen statt feste Pulverpartikel in das Schmelzbad fallen, wird die Schicht homogener. Zudem muss das Grundmaterial nicht so weit aufgeschmolzen werden – statt bis zu einem Millimeter reichen nun einige Mikrometer.
Das Ergebnis: Das Bauteil lässt sich 100– bis 250mal schneller beschichten als beim konventionellen Laserauftragschweißen, zudem heizt es sich kaum auf. Somit ermöglicht es EHLA, hitzeempfindliche Komponenten zu beschichten, bei denen dies bislang aufgrund des zu hohen Wärmeeintrags nicht möglich war. Weiterhin werden gänzlich neue Materialkombinationen möglich, etwa Beschichtungen auf Aluminium- oder Gusseisenlegierungen.
Bereit für den Einsatz
In Kürze liefert die Fa. Hornet Laser Cladding B.V aus den Niederlanden in enger Zusammenarbeit mit der ACunity GmbH aus Aachen (einer Ausgründung des Fraunhofer ILT) die erste EHLA-Anlage nach China. Diese soll am „Advanced Manufacture Technology Center of China – Academy of Machinery Science & Technology“ (CAMTC) in Peking für Forschungszwecke und industrielle Anwendungen genutzt werden.
Wer das EHLA-Verfahren näher kennenlernen möchte, hat dazu auf der LASER World of Photonics vom 26.-29. Juni 2017 in München Gelegenheit.
Petra Nolis ist Gruppenleiterin Kommunikation am Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT).
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