Laserauftragsschweißen EHLA schützt effektiv vor Verschleiß und Korrosion

Redakteur: Juliana Pfeiffer

Wirtschaftlich und umweltfreundlich: Das Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweiß-Verfahren (EHLA) schützt effektiv vor Verschleiß und Korrosion. Von den Vorteilen des neuen Verfahrens ist auch die Toolcraft AG aus dem mittelfränkischen Georgensgmünd überzeugt.

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Das Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweiß-Verfahren (EHLA) zeichnet sich durch große Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 500 m/min, einer Flächenrate von bis zu 2,5 m²/h und einem Pulverauftragwirkungsgrad von bis zu 95% aus.
Das Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweiß-Verfahren (EHLA) zeichnet sich durch große Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 500 m/min, einer Flächenrate von bis zu 2,5 m²/h und einem Pulverauftragwirkungsgrad von bis zu 95% aus.
(Bild: Fraunhofer ILT/Ralf Baumgarten)

Hartverchromen, thermisches Spritzen oder Laserauftragsschweißen sollen Bauteile vor Korrosion und Verschleiß schützen. Allerdings bergen all diese Verfahren erhebliche Nachteile: So ist beispielsweise die Beschichtung mit Chrom (VI) seit 2017 nur noch nach einer speziellen Autorisierung erlaubt. Hier setzt das Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweiß-Verfahren (EHLA) an – entwickelt vom Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT und der RWTH Aachen Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP. EHLA ist eine Weiterentwicklung des konventionellen Laserauftragschweiß-Verfahrens. Es zeichnet sich durch große Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 500 m/min, einer Flächenrate von bis zu 2,5 m²/h und einem Pulverauftragwirkungsgrad von bis zu 95% aus.

Stoffschlüssige Schichten mit Schichtdicken von 10 bis 350 µm

Im Vergleich zum Laserauftragschweiß-Verfahren wird der Hauptanteil der thermischen Energie des Lasers während des EHLA-Verfahrens durch den pulverförmigen Zusatzwerkstoff und nicht durch das Substrat absorbiert. Die Partikel treffen dadurch aufgeschmolzen in ein vergleichsweise kleines Schmelzbad auf die Substratoberfläche. Anders als in klassischen Beschichtungsverfahren, wie etwa dem thermischen Spritzen oder chemischen Galvanik­prozessen (Vernickeln, Chrom VI), können auf diese Weise stoffschlüssige, angebundene homogene Schichten mit Schichtdicken von 10 bis 350 µm erzeugt werden.

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Von den Vorteilen des neuen Verfahrens ist auch die Toolcraft AG aus dem mittelfränkischen Georgensgmünd überzeugt. Das Familienunternehmen setzt EHLA ein, um beschädigte Stellen an rotationssymmetrischen Bauteilen zu reparieren und um sie zu beschichten. Mit seinen Erfahrungen bei der Nachbearbeitung von 3D-Teilen, ist das Unternehmen 2011 in die additive Fertigung eingestiegen. Die Kunden kommen aus den unterschiedlichsten Industriezweigen wie Luftfahrt, Medizintechnik, Energiebranche, Maschinenbau, Halbleitersektor und Automobilindustrie.

Auftragsgeschwindigkeit: Von 2,0 auf mehrere 100 m/min

Mit der maßgeschneiderten TruLaser Cell 3000 von Trumpf steht die weltweit bisher einzige EHLA-Hybridanlage im Maschinenpark bei Toolcraft. „Für uns hat Trumpf auf der Basis der TruLaser Cell 3000 die eierlegende Wollmilchsau gebaut“, erzählt Toolcraft-Vorstand Christoph Hauck stolz.

Doch warum ist es eine eierlegende Wollmilchsau? Dazu ein klärender Blick in die Maschine: Standardmäßig besitzt die TruLaser Cell 3000 einen großen Arbeitsraum mit den Maßen 800 mm x 600 mm x 353 mm, der zwei- und dreidimensional laserschneiden und -schweißen sowie laserauftragschweißen kann. Tempo in das Laserauftragschweißen bringt der zusätzlich integrierte EHLA-Arbeitskopf, der die bisherige Auftragsgeschwindigkeit gegenüber dem Standardverfahren von bis dahin maximal 2,0 auf mehrere 100 m/min erhöht.

Werkzeugbahnen für den Materialauftrag automatisiert planen

Mit ihm lassen sich auf rotationssymmetrische Bauteile sehr schnell Schichten mit Stärken ab 0,05 mm bis hin zu mehrlagigen Volumina mit Schichtstärken von mehreren Zentimetern auftragen. Dazu erhielt die Trumpfanlage eine zusätzliche A-Achse für bis zu 1.490 mm lange Bauteile mit einem maximalen Durchmesser von 320 mm sowie einen einschwenkbaren 3D-Laser-Profilscanner. Mit dem Scanner lassen sich eingespannte Werkstücke vermessen und positionieren. „Der Einsatz des Scanners ermöglicht aber deutlich mehr“, erklärt Dr. Thomas Schopphoven, Gruppenleiter Laser Material Deposition am Fraunhofer ILT. „In Kombination mit einer geeigneten Software können die mit Scanner erfassten Geometriedaten genutzt werden, um die Werkzeugbahnen für den Materialauftrag mittels Laserauftragschweißen automatisiert zu planen.“

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Nicht nur aufgrund der Möglichkeit umweltfreundlichere Schichten zu erzeugen, sondern auch wegen der oft deutlich effizienteren Arbeitsweise kommt das schnelle Auftragen mit dem Laser für viele Branchen infrage. Doch der 3D-Druck-Pionier will mehr. „Oft geht es um Korrosion- und Verschleißschutz“, erklärt Hauck. „Doch muss ich dann unbedingt teures Hartmetall verwenden, kann ich nicht stattdessen eine hybride Lösung finden? Ich könnte auch einen Grundkörper aus Werkzeugstahl nehmen und ihn dann partiell mit EHLA mit hauchdünnem Verschleißschutz veredeln.“

Hybride Fertigung mit Roboter in Sicht?

Das nächste Projekt hat Hauck bereits im Blick: „Im Augenblick ist das Verheiraten von Robotik und 3D-Druck im Gespräch.“ Daher sah er sich neulich zusammen mit seinem externen Berater Dr. Thomas Schopphoven am Fraunhofer ILT die Ergebnisse des BMBF-Forschungsprojekts ProLMD an: Die Kombination von Laserauftragschweißen mit konventionellen Fertigungsverfahren und Robotern zu einer völlig neuen Form der hybrid-additiven Fertigung.

(ID:47260944)