Oberflächen komplexer Werkzeuge durch Laserbehandlung schützen

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Beim Laserdispergieren dagegen wird der Zusatzwerkstoff während der Erstarrung feindispers ausgeschieden. Die Zufuhr der Pulverpartikel erfolgt sowohl beim Laserlegieren als auch beim -dispergieren über einen Gasstrom, der gleichzeitig als Schutzgas des Prozesses dient. Ein weiteres Verfahren zum Verschleißschutz ist das Laserauftragschweißen.

Verschleißschutz durch automatisierte Laseroberflächenbehandlung

Während des Auftragschweißprozesses erwärmt die Laserstrahlung sowohl die Oberfläche des Bauteils als auch den zugeführten Zusatzwerkstoff über den Schmelzpunkt hinaus. Die Oberfläche des Grundwerkstoffs wird dabei nur leicht angeschmolzen, um eine nur minimale Aufmischung zwischen dem jeweiligen Grund- und Zusatzwerkstoff zu erzielen. Somit werden ungewollte Legierungsbildungen zwischen den beiden Werkstoffen, die zu ungünstigen mechanischen Eigenschaften in der Schmelzzone führen, reduziert.

Die geringe Aufmischung ist einer der wichtigsten Vorteile des Laserauftragschweißprozesses im Vergleich zu konkurrierenden Verfahren. Weitere Vorteile sind der durch den geringen Wärmeeintrag reduzierte Verzug des Bauteils sowie das Erreichen hoher Oberflächen- und Beschichtungsqualitäten.

Um einen automatisierten 5-achsigen Laserprozess umsetzen zu können, ist ein entsprechendes CAx-Modul notwendig. Hierzu ist sowohl für das Laserlegieren/-dispergieren als auch für das Laserauftragschweißen ein entsprechendes Modul entwickelt worden.

5-Achsbearbeitung von geometrischen Bauteilen wurde umgesetzt

Dieses ermöglicht eine Geometrieerfassung, die Auswahl der Bearbeitungsstrategie und Kollisionsüberwachung sowie die Umsetzung des generierten Programms auf dem Anlagensystem. Zur Umsetzung dieser Bearbeitungsprogramme, ist am Fraunhofer IPT ein Bearbeitungszentrum aufgebaut worden. Die Gantry-Anlage besitzt einen NC-Dreh-Schwenk-Tisch mit einem Schwenkbereich von ± 140° in der A-Achse und 360° (endlos) in der C-Achse. Weiterhin ist in der Anlage ein Hochleistungsdiodenlaser mit einer maximalen Laserleistung von 5000 W sowie ein Bearbeitungskopf integriert.

Die in Grundlagenversuchen auf ebenen Flächen ermittelten Prozessparameter dienen als Basis für die Bearbeitung ausgewählter Demonstratorbauteile. Diese Demonstratorbauteile weisen charakteristische Geometrieelemente von Werkzeugen auf. Bild 2 zeigt als Beispiel das Laserlegieren von Radien sowie die Analyse der Ergebnisse.

Ein weiteres Beispiel für die Bearbeitung eines Geometrieelements zeigt Bild 3. Anhand dieses Geometrieelements kann beispielsweise ein Ziehkantenradius eines Tiefziehwerkzeugs abgebildet werden. Bis zu einen Abstand von 1,1 mm zur Oberfläche ist die Härte durch das Einbringen der Pulverpartikel und die Selbstabschreckung aufgrund der lokalen Erwärmung signifikant angestiegen.

Die ermittelten Prozessparameter sowie die untersuchten Bearbeitungsstrategien für verschiedene charakteristische Demonstratorbauteile dienen wiederum als Basis für die lokale Laserbehandlung realer Werkzeuge. Bild 4 zeigt die Geometrie eines Werkzeugs das konventionell (nitriert) und kombiniert oberflächenbehandelt (laserlegiert und nitriert) wurde.

Im Bild 4 wird deutlich, dass die Kante des Werkzeugs mit kombinierter Behandlung nach gleicher Anzahl geschmiedeter Bauteile noch in Takt ist dagegen die konventionell beschichtete Kante deutliche Verschleißerscheinungen aufweist. Durch die kombinierte Oberflächenbehandlung kann so eine erhöhte Standzeit sowie eine verbesserte Reproduzierbarkeit erzielt werden. Für Schmiedewerkzeuge kann so die Standzeit der Werkzeuge um bis zu 100% verlängert werden.

Laseroberflächenbehandlung macht Werkzeuge verschleißfest

Die Ergebnisse zeigen, verschiedene Verfahren der Laseroberflächenbehandlung können dazu genutzt werden Werkzeuge verschleißbeständiger auszulegen. In den bisher bereits durchgeführten beziehungsweise momentan noch zu bearbeitenden Projekten werden insbesondere das Laserlegieren/-dispergieren und das Laserauftragschweißen für die verschiedenen Anwendungen wie beispielsweise Schmieden, Aluminium- Druckguss oder Tiefziehen qualifiziert. Eine Anwendung im Bereich des Presshärtens scheint aufgrund der teilweise vergleichbaren Belastungen daher sinnvoll und umsetzbar zu sein.

* Dipl.-Ing. Daniel Heinen ist Gruppenleiter Lasermaterialbearbeitung am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in 52074 Aachen, Dipl.-Ing. Kristian Arntz ist Abteilungsleiter desselben Bereiches

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