Beschichtungsverfahren Laserdirektplattieren senkt Kosten für Metallbeschichtungen

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Fraunhofer IWS Dresden

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Bechtle PLM Deutschland GmbH

Forschende des Fraunhofer IWS haben mit dem Verfahren „Laserdirektplattieren“ eine laserbasierte Technologie entwickelt, die metallische Schichten schneller, energieeffizienter und kostengünstiger erzeugt als bisherige Verfahren. Anwender reduzieren Taktzeiten, Energiebedarf und Prozesskosten deutlich.

Laserdirektplattieren koppelt minimalen Wärmeeintrag mit definierter Umformkraft. An der Fügestelle reißen Oxidschichten auf, frische Metalloberflächen reagieren unmittelbar, und es entsteht eine dauerhafte metallische Bindung. Im Unterschied zum Laserauftragschweißen schmilzt die Beschichtung nicht großflächig auf, sondern bleibt weitgehend in der festen Phase. Dieser Mechanismus reduziert den Energieeinsatz, erhöht die Auftragsrate und stabilisiert die Schichtqualität entlang der gesamten Bauteillänge.„Die schmelzflüssige Phase versuchen wir zu minimieren oder sogar zu vermeiden“, unterstreicht Marko Seifert, Abteilungsleiter Wärmebehandlung und Thermisches Beschichten am Fraunhofer IWS. „Wir aktivieren die Kontaktzone mit sehr wenig Energie und erreichen dadurch dichte, gleichmäßige Beschichtungen bei deutlich geringerer Prozesszeit.“

So funktioniert das Direktplattieren

Direktplattieren richtet sich auf rotationssymmetrische Bauteile aus. Das Band läuft mit konstanter Geschwindigkeit, legt sich spiralförmig um den Grundkörper und verbindet sich während des Aufwickelns mit dem Substrat. Laserstrahlung erwärmt die Kontaktfläche nur für kurze Zeit auf Fügetemperatur. Die kombinierte Wirkung aus Wärme und Druck erzeugt eine stoffschlüssige Verbindung. Damit grenzt sich das Verfahren vom Laserauftragschweißen mit durchgehendem Aufschmelzen des Beschichtungswerkstoffes ab. Laserdirektplattieren erzeugt die funktionale Schicht direkt auf dem Bauteil.

Wir aktivieren die Kontaktzone mit sehr wenig Energie und erreichen dadurch dichte, gleichmäßige Beschichtungen bei deutlich geringerer Prozesszeit.

Marko Seifert

Bandgeschwindigkeiten im Meter-pro-Minute-Regime erlauben hohe Auftragsraten bis in den dreistelligen Kilogramm-pro-Stunde-Korridor. Die geringe thermische Beeinflussung beschränkt die Wärmeeinflusszone auf die unmittelbare Fügelinie und erhält das Gefüge des Grundkörpers. Die Oberfläche zeigt eine homogene, walzähnliche Struktur; Abdrehen, Schleifen, Polieren als Nachbearbeitungsschritte fallen deutlich kürzer aus. In einer industriellen Referenz sank die Beschichtungszeit eines Hydraulikzylinders von rund zwanzig Stunden auf etwa sechs Stunden. Je nach Setup reduziert sich der Energiebedarf um bis zu neunzig Prozent.

Dichtheit, Mehrlagenaufbau und Werkstoffwahl

Das Aufbringen in Spiralen erzeugt definierte Stoßfugen, die ein mitlaufender Fügeprozess verschließt. Für korrosionskritische Anwendungen empfiehlt sich ein mehrlagiger Aufbau, weil ab der zweiten Lage nur noch gleichartige Schichten miteinander fügen und damit Aufmischungen minimieren. Typische Lagendicken liegen bei etwa einem bis drei Millimeter. Mehrlagige Pakete erreichen mehrere Zentimeter Gesamtstärke. Weiterhin ermöglicht der selektive Volumenaufbau entlang der Bauteillänge angepasste Profilierungen. Unterschiedliche Werkstoffe in den Lagen schaffen multifunktionale Schichten.
Laserdirektplattieren verbessert den Auftrag von Beschichtungen für Verschleiß- und Korrosionsschutz an Hydraulikzylindern, Prozess- und Umformwalzen sowie Gleitlagern. Für die Regeneration abgenutzter Walzen baut der Prozess das fehlende Volumen gezielt wieder auf. Das spart Material und verkürzt Stillstände. „Wir wollen Energie- und Kosteneffizienz in einem robusten Prozessfenster verdichten“, betont Seifert. „Das erleichtert den Transfer in bestehende Linien und liefert reproduzierbare Qualität auch bei großen Bauteilen.“

Pilotanlage für Bauteile bis zwei Meter Länge

Das Fraunhofer IWS hat das Laserdirektplattieren 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. Ziel bildet eine belastbare Auslegung für Serienprozesse mit klar definierten Takt- und Qualitätskennwerten.