Hochleistungsdiodenlaser mit Leistungen von zehn Kilowatt und mehr eröffnen neue Anwendungsszenarien für das Laserauftragschweißen. Möglich werden damit besonders nachhaltige und ressourcensparende Beschichtungen zum Beispiel im Automobilbau, Maschinenbau und in weiteren Branchen. Gemeinsam mit Partnern aus der Industrie hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS inzwischen Anwendungen und konkrete Verfahren unter dem Label HICLAD® für diese Industrielaser-Klasse zur Praxisreife geführt.
Hohe Förderrate, optimale Geschwindigkeit, großer Spot: Das Fraunhofer IWS entwickelt seit einigen Jahren für das Laserauftragschweißen die Verfahrensfamilie HICLAD®, um mit Hochleistungsdiodenlasern maßgeschneiderte Lösungen für hochproduktive Beschichtungsprozesse zu ermöglichen. Dazu stimmen die Forschenden unter anderen die Parameter Energieverteilung, Geschwindigkeit und Förderrate so aufeinander ab, dass breite Prozessfenster möglich werden und sich Schwankungen im Produktionsprozess tolerieren lassen. Wir erweitern die Grenzen des Hochleistungslasereinsatzes erneut, betont Dr. Maria Barbosa, die am Fraunhofer IWS die Abteilung für Thermisches Beschichten leitet. HICLAD® ermögliche nicht nur nachhaltige funktionelle Beschichtungen, die letztlich die Haltbarkeit, Verschleißfestigkeit und Lebensdauer der damit bearbeiteten Bauteile verbessern. Auch bringe das Verfahren Ressourcen wie Material, Zeit und Kosten in ein möglichst optimales Verhältnis. Die Forschenden betrachten die Funktionalisierung der Bauteiloberflächen ganzheitlich und mit dem Ziel, bei minimalem Materialeinsatz und kurzer Taktzeit trotzdem resiliente und industrietaugliche Ergebnisse zu erzielen.
Als Schlüsselkomponente dient den Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen teilweise im eigenen Haus entwickelte Mess- und Regelhardware, mit der sie die komplexen Prozesse überwachen, regeln und deren Qualität kontrollieren können. Damit leisten wir einen wichtigen Beitrag zu einer höheren Ressourceneffizienz in der Industrie, fügt Maria Barbosa hinzu. Zum Einsatz kommt HICLAD® zum Beispiel für die laserbasierte Hartstoffbeschichtung von Bremsscheiben, Hydraulikzylindern und Gleitlagern. Künftig lassen sich damit beispielsweise auch große Bauteile für die Öl-, Gas- sowie Papierindustrie und für viele andere Branchen effizient beschichten.
Als Schlüsselkomponente dient am Fraunhofer IWS entwickelte Mess- und Regelhardware, mit der sich die Qualität der komplexen Prozesse kontrollieren lässt (© ronaldbonss.com/Fraunhofer IWS)
Auftragsrate mit 20-kW-Laser verdreifacht
Das Laserauftragschweißen kommt zwar schon seit geraumer Zeit für industrielle Beschichtungen in hoher Qualität zum Einsatz. Allerdings ließ sich damit lediglich eine vergleichsweise niedrige Auftragsrate erzielen. Diese ist jedoch entscheidend für die Produktivität und daher setzten Unternehmen dieses Verfahren in der Vergangenheit nur selten für große Bauteile und Massenserien ein. Dies ändert sich, seit industrielle Diodenlaser mit zehn, teilweise bis zu 20 Kilowatt Leistung und mehr verfügbar sind, die viel höhere Auftragsraten zulassen. Allerdings erfordert der Einsatz dieser Hochleistungslaser auch eine besondere Prozessexpertise. Das Fraunhofer IWS gilt schon seit vielen Jahren als Pionier für den Einsatz von Hochleistungslasern mit stetig steigenden Leistungsklassen – speziell auch für das Laserauftragschweißen. Aus diesen Erfahrungen heraus haben das Dresdner Institut und Laserline nach eigenen Angaben inzwischen mit 20-Kilowatt-Diodenlasern Auftragsraten erreicht und übertroffen, die früher nur per Plasma-Transferred-Arc-Verfahren (PTA) realisierbar waren. Auch gegenüber bisher verfügbaren laserbasierten Lösungen erzielten die Partner erhebliche Fortschritte: Abhängig vom konkreten Material und der gewählten Düse erreicht HICLAD® Auftragsraten von 18 Kilogramm je Stunde im industriellen Einsatz. Bei einer Inconel-625-Nickellegierung beispielsweise lässt sich die Produktivität im Vergleich zu einer Lösung mit einem herkömmlichen Neun-Kilowatt-Laser ungefähr verdreifachen. Die genauen Werte hängen dabei vom konkreten Einsatzszenario ab.
COAXquattro ermöglicht erstmals die simultane Verarbeitung von Pulver und Draht in verschiedenen Kombinationen. Die Werkstoffe treffen im Laserfokus über der Bauteiloberfläche zusammen, wo der Laser das zugeführte Metall aufschmilzt. Direkt auf der Oberfläche entsteht die Beschichtung in-situ aus dem Pulver und den einzeln zugeführten Drähten (© ronaldbonss.com/Fraunhofer IWS)
COAXquattro kann Pulver und Draht gleichzeitig verarbeiten
Im Gegensatz zum pulverbasierten Auftragschweißen waren die drahtbasierten Prozesse bislang auf maximal sechs Kilowatt begrenzt. Mit COAXquattro gelingt es nun in der Kombination von Draht und Pulver Laserleistungen von bis zu 20 Kilowatt einzusetzen. Das kann in der Multimaterialentwicklung, zum Beispiel von Legierungen, eine entscheidende Rolle spielen. So lassen sich nach Bedarf über jeweils vier Draht- und Pulverkanäle unterschiedliche Materialien zuführen. Zudem schrumpfen durch die vergleichsweise kurzen Bearbeitungszeiten die Ausgaben für Personal, Schutzgase und andere Betriebskosten. Generell ist das System für eine besonders effiziente Materialausnutzung sowie für eine sehr robuste und flexible Prozessführung in hoher Qualität ausgelegt.
Nächster Schritt führt in die 45-Kilowatt-Klasse
Gemeinsam mit dem Fraunhofer IWS ist uns gelungen, der Industrie konkrete Anwendungen für eine neue Klasse von Hochleistungslasern zu erschließen, erklärt Cladding- und Additive-Manufacturing-Experte Dr. Sörn Ocylok vom Industrielaser-Hersteller Laserline GmbH aus Mülheim-Kärlich. Aktuell erproben wir bereits die weitere Skalierbarkeit der Prozesse, indem wir in Testläufen eine höhere Diodenlaser-Leistungsklasse mit aktuell bis zu 45 Kilowatt Ausgangsleistung einsetzen – mit dem Ziel, auch hier in naher Zukunft erste industrielle Anwendungen möglich zu machen.
Kontakt:
Dr.-Ing. Maria Barbosa,
E-Mail: maria.barbosa@iws.fraunhofer.de
- www.iws.fraunhofer.de
Ein Kernelement der HICLAD®-Familie ist der innovative Laserauftragschweißkopf COAXquattro. In dessen Düsenmitte verläuft ein Laserstrahl, um den ringsum bis zu acht separat steuerbare Kanäle Pulver und Drähte zuführen. Die flexiblen Fähigkeiten sparen zudem Materialkosten ein, weil Werkstoffe in Draht- oft nur halb so teuer sind wie in Pulverform (© ronaldbonss.com/Fraunhofer IWS)
