Laserdirektplattieren Rotationssymmetrische Teile mit neuem Laserprozess dick beschichten

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Fraunhofer IWS Dresden

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Mit einem am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) entwickelten Laserbeschichtungsverfahren kann man Metalle jetzt ziemlich dick auftragen.

Forscher am Fraunhofer IWS in Dresden haben mit dem neuen Verfahren Laserdirektplattieren eine Möglichkeit entwickelt, die metallische Schichten schneller, energieeffizienter und günstiger erzeugt als bisherige Verfahren, wie man erfahren darf. Dabei werden, wie man vielleicht vermuten könnte, keine Metallraupen appliziert, wie es vom Laserauftragschweißen her bekannt ist. Denn beim Laserdirektplattieren koppelt man einen minimalen Wärmeeintrag mit definierter Umformkraft. Dazu wickeln die Experten auf das Bauteil zunächst ein Metallband spiralförmig herum (siehe Aufmacherbild). Der Laser fügt das Band dann stoffschlüssig an den Grundkörper. An der Fügestelle reißen Oxidschichten auf, die frischen Metalloberflächen reagieren unmittelbar miteinander. So entsteht eine dauerhafte metallische Bindung.

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Im Unterschied zum Laserauftragschweißen schmelze dabei die Beschichtung nicht großflächig auf, sondern bleibe weitgehend in der festen Phase. Das reduziert den Energiebedarf, erhöht die Auftragsrate und stabilisiert die Schichtqualität entlang der gesamten Bauteillänge, heißt es weiter. Man aktiviere also die Kontaktzone mit sehr wenig Energieaufwand und erreiche dennoch dichte, gleichmäßige Beschichtungsergebnisse in vergleichsweise kurzer Zeit.

Kolossaler Zeitsparer beim Beschichten vom Bauteilen

Das Direktplattieren per Laser richtet sich, wie schon erwähnt, auf rotationssymmetrische Bauteile aus. Das Metallband läuft dazu mit konstanter Geschwindigkeit, legt sich dabei spiralförmig um den Grundkörper und verbindet sich während des Aufwickelns mit dem Substrat. Die Laserstrahlung erwärmt die Kontaktfläche, wie gesagt, nur für kurze Zeit auf Fügetemperaturniveau. Die kombinierte Wirkung aus Wärme und Druck erzeugt dann die stoffschlüssige Verbindung. Das Laserdirektplattieren erzeugt dabei die funktionale Schicht direkt auf dem Bauteil. Bandgeschwindigkeiten im Meter-pro-Minute-Regime erlaubten hohe Auftragsraten bis in den 3-stelligen Kilogramm-pro-Stunde-Korridor. Die geringe thermische Beeinflussung beschränke die Wärmeeinflusszone auf die unmittelbare Fügelinie und schone das metallische Gefüge des Grundkörpers. Die Oberfläche hat danach eine homogene Struktur, wie sie vom Walzen her bekannt ist. Danach kann man abdrehen, schleifen, oder polieren, was aber rascher vonstatten geht als nach anderen Auftragsverfahren. In einer industriellen Referenz sank etwa die Beschichtungszeit eines Hydraulikzylinders von rund zwanzig Stunden auf etwa sechs Stunden. Je nach Setup reduziere sich der Energiebedarf um bis zu neunzig Prozent.

Schichten von einem Millimeter bis mehrere Zentimeter

Das Aufbringen in Spiralen erzeugt außerdem definierte Stoßfugen, die der mitlaufende Fügeprozess per Laser verschließt. Für korrosionskritische Anwendungen empfiehlt sich aber ein mehrlagiger Aufbau, weil ab der zweiten Lage nur noch gleichartige Schichten miteinander gefügt werden und damit Aufmischungen minimiert werden. Typische Lagendicken liegen bei etwa einem bis drei Millimeter, wie die Forscher anmerken. Mehrlagige Pakete erreichen aber durchaus mehrere Zentimeter Gesamtstärke. Weiterhin ermöglicht der selektive Volumenaufbau entlang der Bauteillänge angepasste Profilierungen. Unterschiedliche Werkstoffe in den Lagen schaffen sogar multifunktionale Schichten. Das Laserdirektplattieren verbessert auch den Auftrag von Beschichtungen für Verschleiß- und Korrosionsschutz an Hydraulikzylindern, Prozess- und Umformwalzen sowie Gleitlagern, wie das IWS weiter ausführt. Und für die Regeneration abgenutzter Walzen baue der Prozess das fehlende Volumen gezielt wieder auf. Das spare Material und verkürze Stillstände. Laserbasiertes Direktplattieren braucht auch kein Pulverhandling, weshalb man Absaugung und Einhausung wie bei etablierten Schweiß- und Laserschutzkonzepten ausführen muss. Die Anlage kapsle den Prozess vollständig ab, das Bedienteam arbeitet von außen. So sinke der Aufwand für Peripherie und die Integration in Fertigungsumgebungen gelinge mit standardisierten Sicherheitsmodulen.

Pilotanlage fürs Laserdirektplattieren bis zwei Meter Länge

Das Fraunhofer IWS hat das Laserdirektplattieren übrigens zum Patent angemeldet und eine Pilotanlage für Bauteile bis zwei Meter Länge aufgebaut. Das Team qualifiziert Anwendungsfälle, legt Prozessfenster fest und belegt die Wirtschaftlichkeit an Demonstratoren. Die Skalierung erfolgt in Zusammenarbeit mit dem Anlagenhersteller und industriellen Partnern. Optionen für Lizenz- und Transfermodelle liegen vor. Das Ziel sei es, eine belastbare Auslegung für Serienprozesse mit klar definierten Takt- und Qualitätskennwerten zu erreichen. Fazit: Das Laserdirektplattieren reduziert beim Bauteilbeschichten per Laser den Energiebedarf, die Bearbeitungszeiten und die Nacharbeit. Die hohe Auftragsrate verkürzt Prozesszyklen und der spezielle Fügemechanismus stabilisiert die Qualität. Ein möglicher mehrlagiger Aufbau erweitert den Gestaltungsraum für Funktionsschichten. In Summe sinken also die Stückkosten.

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