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Beschichtungstechnik Laserauftragschweißen effizienter gestalten

| Redakteur: Beate Christmann

Aachener Wissenschaftler haben ein Laserverfahren weiterentwickelt, um Bauteile vor Verschleiß und Korrosion zu schützen. Das extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen soll wirtschaftlich, umweltschonend und schnell sein.

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Mit dem neuen Verfahren des extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißens (EHLA) sollen sich Metallschutzschichten mit extremer Hochgeschwindigkeit umweltschonend und effizient aufbringen lassen.
Mit dem neuen Verfahren des extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißens (EHLA) sollen sich Metallschutzschichten mit extremer Hochgeschwindigkeit umweltschonend und effizient aufbringen lassen.
(Bild: Fraunhofer-ILT/Volker Lannert)

Ganz gleich ob Holz, Kunststoff oder Metall oder welche Branche: Die Oberflächen der meisten Bauteile werden beschichtet. Das kann aus ästhetischen Gründen erfolgen, zum Beispiel, wenn eine Oberfläche besonders glänzen soll. In der Regel erfüllen Beschichtungen aber vor allem funktionale Zwecke, indem sie unter anderem vor Verschleiß oder Korrosion schützen sollen.

Nachteile etablierter Verfahren umgehen

Die etablierten Verfahren der Beschichtungstechnik – das Hartverchromen, das thermische Spritzen oder das Laserauftragschweißen – bringen jedoch jedes für sich bestimmte Nachteile mit. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik (ILT) sowie der RWTH Aachen University haben mit dem extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (Ehla) nach eigenem Bekunden einen Weg gefunden, diese Probleme zu umgehen. „Mit Ehla können wir erstmalig dünne Schichten im Bereich Zehntelmillimeter auf große Flächen in kurzer Zeit ressourceneffizient und wirtschaftlich auftragen“, fasst Dr. Andres Gasser, Gruppenleiter am Fraunhofer-ILT, zusammen.

Eines der herkömmlichen Verfahren für den Verschleiß- und Korrosionsschutz ist die Hartverchromung. Sie verbraucht viel Energie, zudem schädigt Chrom(VI) die Umwelt und kann sich gesundheitsgefährdend auswirken. Ehla hingegen arbeitet ohne Chemikalien. Die entstehende Beschichtung soll stoffschlüssig mit dem Grundstoff verbunden sein und im Gegensatz zur Hartchromschicht nicht abplatzen können. Während die Schichten aus der Hartverchromung Poren und Risse aufweisen, sind die per Ehla erzeugten Schichten nach Aussage der Entwickler dicht und schützen das Bauteil effizienter und langfristiger.

Ressourcenschonendes Verfahren

Auch das thermische Spritzen hat Defizite: Nur etwa die Hälfte des eingesetzten Materials bedeckt später die Bauteiloberfläche, womit sehr viel Material und Gas verbraucht wird. Zudem haften die entstehenden Schichten schwach am Substrat. Da sie porös sind, müssen stets mehrere etwa 25 bis 50 µm dicke Schichten übereinander aufgetragen werden. Beim neuen Verfahren nun sollen rund 90 % des Materials genutzt werden. Damit wäre es ressourcenschonender und wirtschaftlicher. Die Forscher geben an, dass bereits die Einzelschichten dicht sind und die Beschichtung zudem fest mit dem Substrat verbunden ist.

Das Laserauftragschweißen wiederum ist für große Bauteile zu langsam. Zudem besteht ein Manko im verfahrensbedingten hohen Wärmeeintrag ins Bauteil: Es 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 Gasser. Da so flüssige Materialtropfen in das Schmelzbad fallen, werde die Schicht homogener. Zudem müsse das Grundmaterial nicht so weit aufgeschmolzen werden: Statt bis zu einem Millimeter reichten nun einige Mikrometer. Im Vergleich zum konventionellen Laserauftragschweißen soll sich das Bauteil 100- bis 250-mal so schnell beschichten lassen und sich zudem kaum aufheizen. Die Wissenschaftler sind überzeugt, von nun an auch hitzeempfindliche Komponenten beschichten zu können, bei denen dies bislang aufgrund des zu hohen Wärmeeintrags nicht möglich war. Daraus würden sich neue Materialkombinationen ergeben.

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