Best Practice 08 Fraunhofer EHLA
DAS EHLA-VERFAHREN:
Dünne Schichten extrem schnell auftragen
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT und der RWTH Aachen University haben mit dem Extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen EHLA ein Verfahren entwickelt, das Vorteile gegenüber der herkömmlichen Verfahren in den Bereichen der Beschichtungstechnik und Reparatur aufweist. EHLA steht für dünne Schichten im Bereich von 10 – 500 µm auf große Flächen, welche in kurzer Zeit ressourceneffizient und wirtschaftlich aufgetragen werden. Darüber hinaus bieten sich neue Möglichkeiten für neue Materialpaarungen, insbesondere im Bereich der additiven Fertigung. ...
Ein weit verbreitetes Verfahren für den Verschleiß- und Korrosionsschutz ist das Hartverchromen. Neben Einsatz des für Mensch und Umwelt bedenklichen hexavalenten Chroms ist das Verfahren material- und energieintensiv.
EHLA bietet hier eine wirtschaftliche Alternative. Da keinerlei Chemikalien zum Einsatz kommen, ist das Verfahren sehr umweltfreundlich. Die entstehende Beschichtung ist stoffschlüssig mit dem Grundstoff verbunden und kann im Unterschied zum Hartchrom nicht abplatzen. Während die Hartchromschichten Poren und Risse aufweisen, sind die EHLA-Schichten dicht und schützen das Bauteil auch in besonders anspruchsvoller Umgebung langfristig.
Ressourcenschonend
Mit EHLA werden mehr als 90 Prozent des Materials zur effektiven Beschichtung genutzt. Jede Schichtlage ist bereits dicht und zudem schmelzmetallurgisch mit dem Substrat verbunden. Das Verfahren ist somit ressourcenschonend und wirtschaftlich zugleich.
Schnell und vielseitig einsetzbar
Mit EHLA werden mehr als 90 Prozent des Materials zur effektiven Beschichtung genutzt. Jede Schichtlage ist bereits dicht und zudem schmelzmetallurgisch mit dem Substrat verbunden. Das Verfahren ist somit ressourcenschonend und wirtschaftlich zugleich.
Schnell und vielseitig einsetzbar
Durch Laserauftragschweißen können Bauteile hochwertig mit einer Vielzahl von Materialien beschichtet werden. Allerdings ist das Verfahren für große Bauteile oftmals zu langsam. Im Verschleiß- und Korrosionsschutz konnte es sich daher bislang nur vereinzelt durchsetzen.
Außerdem besteht beim konventionellen Laserauftragschweißen ein vergleichsweise hoher Wärmeeintrag in das Bauteil: Die Oberfläche wird lokal aufgeschmolzen während der pulverförmige Zusatzwerkstoff mit einer Zufuhrdüse in das Schmelzbad befördert wird.
Beim EHLA-Verfahren schmilzt der Laser die Pulverpartikel bereits oberhalb des Schmelzbades auf. Da flüssige Materialtropfen statt feste Pulverpartikel in das Schmelzbad gelangen, ist der Wärmeeintrag ins Substrat klein, die Schicht rein und glatt – die Rauheit beträgt ein Zehntel des bisherigen Wertes, wodurch der Nachbearbeitungsaufwand deutlich reduziert werden kann.
EHLA für anspruchsvolle Aufgaben
Die kleine Wärmeeinflusszone von wenigen Mikrometern ermöglicht unkonventionelle Materialpaarungen. So können u. a. Bremsscheiben aus Grauguss, die über einen hohen Kohlenstoffanteil und eine große Wärmeleitfähigkeit verfügen, mittels EHLA-Beschichtungen mit schweißmetallurgischer Anbindung auf dem wärmeempfindlichen Bauteil gegen Korrosion und Verschleiß geschützt werden.
Die kleine Wärmeeinflusszone von wenigen Mikrometern ermöglicht unkonventionelle Materialpaarungen. So können u. a. Bremsscheiben aus Grauguss, die über einen hohen Kohlenstoffanteil und eine große Wärmeleitfähigkeit verfügen, mittels EHLA-Beschichtungen mit schweißmetallurgischer Anbindung auf dem wärmeempfindlichen Bauteil gegen Korrosion und Verschleiß geschützt werden.
Mit EHLA kann die Oberfläche von Bauteilen funktionalisiert werden, indem ihre geometrischen, chemischen, mechanischen oder magnetischen Eigenschaften verändert werden. Insbesondere können Schichten mit hoher Rauheit aufgetragen werden, um als Haftvermittler für andere Beschichtungstechnologien zu dienen, Schichten definierte Rillen aufweisen, die als Schmierstofftaschen dienen oder Schichten mit heterogenen magnetischen Eigenschaften erzeugt werden, um als Aktoren zu dienen.
Effiziente Prozessplanung durch CAM-unterstützte Bahnplanung
Werden mit dem EHLA-Verfahren Volumina aufgetragen, steigt der Aufwand für die Bahnplanung wegen der kleinen Einzelschichtdicke rasant an. Dies kann der Fall sein, wenn das Verfahren zu Reparaturzwecken eingesetzt wird. Um die Flexibilität des Verfahrens in dieser Anwendung effizient nutzen zu können, wurde ein CAM-System zur teilautomatisierten Bahnplanung auf rotationssymmetrischen Bauteilen entwickelt. Mit diesem System wird das Bauteil zunächst mit einem in die Maschine integrierten Laserlinienscanner erfasst, um direkt auf dem digitalisierten Abbild des Bauteils Werkzeugbahnen zu planen.
Werden mit dem EHLA-Verfahren Volumina aufgetragen, steigt der Aufwand für die Bahnplanung wegen der kleinen Einzelschichtdicke rasant an. Dies kann der Fall sein, wenn das Verfahren zu Reparaturzwecken eingesetzt wird. Um die Flexibilität des Verfahrens in dieser Anwendung effizient nutzen zu können, wurde ein CAM-System zur teilautomatisierten Bahnplanung auf rotationssymmetrischen Bauteilen entwickelt. Mit diesem System wird das Bauteil zunächst mit einem in die Maschine integrierten Laserlinienscanner erfasst, um direkt auf dem digitalisierten Abbild des Bauteils Werkzeugbahnen zu planen.
Qualität unter Kontrolle
Am Fraunhofer ILT wird ein kamerabasiertes Process Monitoring-Verfahren mit dem Ziel verfolgt, die Qualität der aufgetragenen Schichten sicherzustellen und zu dokumentieren. Mit einer Kamera wird der Prozess koaxial zum Laserstrahl „aus der Vogelperspektive“ beobachtet. Mittels geeigneter Bildauswertung wird die vom Prozess emittierte Strahlung online – also während des Prozesses – analysiert, um Rückschlüsse auf die Stabilität des Prozesses zu schließen. Das Monitoring-System kann direkt in eine Bearbeitungsoptik integriert werden, sodass der Arbeitsraum nicht negativ beeinflusst wird. Zusätzlichen Module z. B. zur Vermessung des Pulvergasstrahls – einem vom Fraunhofer ILT entwickelten Messprinzip – lassen sich mit dem Monitoring System kombinieren. Dadurch wird auch die Qualitätskontrolle der Pulverdüse direkt in der Bearbeitungsmaschine möglich.
Am Fraunhofer ILT wird ein kamerabasiertes Process Monitoring-Verfahren mit dem Ziel verfolgt, die Qualität der aufgetragenen Schichten sicherzustellen und zu dokumentieren. Mit einer Kamera wird der Prozess koaxial zum Laserstrahl „aus der Vogelperspektive“ beobachtet. Mittels geeigneter Bildauswertung wird die vom Prozess emittierte Strahlung online – also während des Prozesses – analysiert, um Rückschlüsse auf die Stabilität des Prozesses zu schließen. Das Monitoring-System kann direkt in eine Bearbeitungsoptik integriert werden, sodass der Arbeitsraum nicht negativ beeinflusst wird. Zusätzlichen Module z. B. zur Vermessung des Pulvergasstrahls – einem vom Fraunhofer ILT entwickelten Messprinzip – lassen sich mit dem Monitoring System kombinieren. Dadurch wird auch die Qualitätskontrolle der Pulverdüse direkt in der Bearbeitungsmaschine möglich.
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Laser Material Deposition - Process and Application Development LMD
Steinbachstr. 15
Steinbachstr. 15
52074 Aachen
Ansprechpartner: Matthias Brucki M. Sc.
T: +49 241 8906-314
E-Mail: matthias.brucki@ilt.fraunhofer.de
http://www.ilt.fraunhofer.de
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E-Mail: matthias.brucki@ilt.fraunhofer.de
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Bildrechte der Bilder und des Films: Fraunhofer ILT
