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Extremes Hochgeschwindigkeits-Laserauftragsschweißen – EHLA

Thomas Schopphoven, Dr. Andres Gasser und Gerhard Maria Backes

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen
Lehrstuhl für Digitale Additive Produktion (DAP), RWTH Aachen, Deutschland

EHLA ist eine neue, hochproduktive Variante des Laserauftragsschweißens. Defizite bisheriger Beschichtungsverfahren, insbesondere das Hartverchromen und das thermische Spritzen, werden damit auf umweltfreundliche und wirtschaftliche Weise beseitigt. Großes Anwendungspotenzial besitzt das Verfahren auch im rasant wachsenden Markt des Additive-Manufacturing.

Laserauftragsschweißen mit Tempo und Präzision

 Laserauftragsschweißen ist ein altbekanntes Verfahren, dass sich als Reparaturverfahren zum Beispiel für Turbinenschaufeln bewährt hat. Das Prinzip ist einfach: Die gebündelte Energie eines Hochleistungslasers mit mehreren Kilowatt Laserleistung schmilzt die Oberfläche eines metallischen Werkstücks auf. In diese Schmelze bläst eine Düse, integriert in die Laseroptik, feines Metallpulver ein. Das Pulver verschmilzt mit der Oberfläche, wodurch bei richtiger Wahl der Vorschubgeschwindigkeit beim Abkühlen hinter dem Laserstrahl eine Schweißraupe mit materialschlüssigem Aufbau entsteht.

Die geringe Verfahrensgeschwindigkeit verhinderte allerdings bisher den serienmäßigen Einsatz beim Beschichten großer Bauteile. Diesen prozessbedingten Nachteil haben Thomas Schopphoven, Andres Gasser und Gerhard Maria Backes vom Fraunhofer Institut für Lasertechnik und dem Lehrstuhl für Digitale Additive Produktion der RWTH Aachen beendet. Sie entwickelten das „Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißens“, kurz EHLA. Damit lassen sich Bauteile besonders wirtschaftlich und gleichzeitig umweltfreundlich beschichten, reparieren oder additiv fertigen

Ungeahnter Quantensprung in Prozessgeschwindigkeit

Die Innovation besteht aus verschiedenen Optimierungen des Prozesses und vor allem einem entscheidenden Unterschied: Beim EHLA-Verfahren werden die Metallpulverpartikel direkt im Laserstrahl geschmolzen, nicht in der Schmelze. Dieser kleine Unterschied hatte eine überraschend große Wirkung: So kann die Prozessgeschwindigkeit von bisher maximal einigen Metern pro Minute auf bis zu 500 Meter pro Minute enorm gesteigert werden. Gleichzeitig sinkt die herstellbare Schichtdicke von bisher über 500 Mikrometer hinunter auf 10 bis 250 Mikrometer. Dank dieser beiden Eigenschaften kommt die Aachener Erfindung vor allem als Alternative zum bisher üblichen Hartverchromen mit umstrittenen Chrom(VI)-Verbindungen oder dem thermischen Spritzen zum Einsatz. 

Erfolg mit Tempo und Präzision

Das Konzept ist erfolgreich: Seit 2015 hat die niederländische IHC Vremac Cylinders B.V. aus Apeldoorn bereits einige hundert Hydraulikzylinder für den weltweiten Offshore-Einsatz mit EHLA beschichtet. Die so mit verschleiß- und korrosionsbeständigen Legierungen ausgestatteten Zylinder mit Längen von bis zu zehn Metern und Durchmessern von bis zu 500 Millimetern genügen höchsten Ansprüchen. Den Offshore-Markt in China hat die ACunity GmbH aus Aachen, ein Spin-off des Fraunhofer ILT, im Visier: Sie lieferte vor kurzem drei große EHLA-Systeme zum umweltfreundlichen Beschichten von Offshore-Hydraulikzylindern an die chinesische Firma Hebei Jingye Additive Manufacturing Technology Co., Ltd. Doch der Offshore-Markt ist erst der Anfang, denn das EHLA-Verfahren eignet sich besonders für die Automobilindustrie – z. B. für die Beschichtung von Bremsscheiben, die bisher wegen der großen Belastungen und hohen Anforderungen an Wirtschaftlichkeit sowie Umweltfreundlichkeit nur schwierig beschichtet werden konnten.



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