COAXn: Modulares Pulverdüsensystem zum Auftragschweißen mit Lasertechnik

Fraunhofer IWS Dresden auf der Lasermesse 2005 in München

Auf der Laser-Messe 2005 vom 13. – 16. Juni 2005 in München zeigen wir neueste Ergebnisse aus der Laser-Materialbearbeitung auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle B3 / Stand 145. Präsentiert werden die neuen modularen Bearbeitungsköpfe COAXn, die als robuste und nutzerfreundliche Systemtechnik einen Teil mit dazu beigetragen haben, dass die Lasertechnologie heute als leistungsfähige, hochpräzise Verfahrensvariante für anspruchsvolle Beschichtungs­aufgaben zum Reparieren, Generieren und Beschichten zur Verfügung steht. Allein im vergangenen Jahr konnten wieder 6 solcher Systeme mit den zugehörigen Technologien in die Praxis des Reparierens von Umformwerkzeugen, Flugzeugtriebwerken und stationären Gasturbinen überführt werden. Die Auftraggeber kamen aus Deutsch­land, Finnland, Portugal und den USA. Damit wurden seit dem Jahr 2000 etwa 40 COAXn-Pulverdüsen in industrielle Lösungen umgesetzt, weltweit.

Die präzise Herstellung von Oberflächenschutz- und Funktionsschichten sowie schnelle Reparaturen von Hochwertbauteilen zählen zu den wichtigsten Anwendungsgebieten, in denen sich das Laserstrahl-Auftragschweißen heute industriell etabliert hat. Ein wichtige Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz des Verfahrens sind robuste Pulverdüsen, die einfach zu handhaben sind und eine exakte sowie stabile Zufuhr des Schweißpulvers auch an weniger gut zugänglichen Bearbeitungsstellen sowie beim Beschichten von Freiformflächen ermöglichen. Mit dem modularen Pulverdüsensystem COAXn des Fraunhofer-Institutes für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden steht dem Anwender ein flexibles Werkzeug zur Verfügung, das zusammen mit der entsprechenden Lasertechnik leicht in Standard-Werkzeugmaschinen und Bearbeitungssysteme integriert werden kann.

Die Laser-Beschichtungseinheiten werden heute in unterschiedlichen Varianten für das Oberflächenbeschichten, Reparieren und Generieren im Werkzeug- und Formenbau, der Triebwerkinstandsetzung sowie im Motorenbau eingesetzt. Eine solche Einheit besteht grundsätzlich aus der kommerziell erhältlichen Laseroptik, die mit Sensorik zur Prozeßüberwachung ausgestattet sein kann, einem xyz-Adapter zum Anschluß der Düse sowie der eigentlichen Koaxial-Pulverdüse mit Anschlüssen für alle Prozeßgase und Kühlwasser. Entsprechend der konkreten Anwendung kann aus einem Baukastensystem die jeweils optimale Düsenkonfiguration zusammengestellt werden (Beispiele siehe Abb. 1).

Über die entsprechenden Eingänge können der Expansionskammer in der Düse bis zu vier unterschiedliche Pulverkomponenten zugeführt und während des laufenden Schweißprozesses gemischt sowie auch im Verhältnis untereinander variiert werden. Auf diese Weise sind zum Beispiel Pulvergemische aus Hartmetallen und metallischen Bindern verarbeitbar, und es können gradierte Schichten hergestellt werden. Die Mehrzahl der Anwendungen verwendet jedoch handelsübliche Metallpulver auf Nickel-, Kobalt-, Stahl-, Kupfer- oder Titan-Basis mit Körnungen zwischen 20 und 90 µm. Der Pulverstrom kann auf einen minimalen Durchmesser von 1 mm fokussiert werden. Hierdurch werden sowohl eine besondere Präzision des Werkstoffauftrags als auch hohe Werte der Pulverausnutzung, typischerweise zwischen 60 und 90 %, erreicht. Die Abschmelzleistung beträgt, je nach verfügbarer Laserquelle, 0,25 bis 3 kg/h. Das Gewicht der kleinsten und leichtesten Variante aus beschichtetem Aluminium beträgt 290 g, die größeren und besonders robusten Messing-Düsen wiegen etwa 1500 g. Die Formung des Pulverstrahls erfolgt dynamisch in speziell geformten Kanälen im Inneren der Düse. Hierdurch wird der Schwerkrafteinfluß auf den Pulverstrom weitgehend eliminiert, und es kann in unterschiedlichsten Schweißpositionen sowie auch in Zonen mit erschwerter Zugänglichkeit gearbeitet werden. Auch ein Auftragschweißen mit dreidimensional bewegter Düse ist möglich, und im Extremfall können selbst Über-Kopf-Schweißungen ausgeführt werden.

Bei der Konstruktion des Pulverdüsensystems wurde besonderes Augenmerk auf die leichte Integrierbarkeit in Werkzeug- oder sonstige Bearbeitungsmaschinen gelegt, die heute üblicherweise bei den Anwendern bereits vorhanden sind. Einschließlich des Lasers kann somit das komplette Beschichtungssystem als Nachrüstsatz erworben und in die bestehende Anlagentechnik eingebaut werden (z.B. Abb. 2: kompakte Einheit, bestehend aus 2 kW-Diodenlaser und Beschichtungskopf vom Typ COAX8). Mit einem Gelenkarmroboter kombiniert, steht eine preiswerte, 3D-fähige Bearbeitungsanlage zur Verfügung. Für eine Verfahrenskombination aus Auftragschweißen und Endbearbeiten (Fräsen) sind Köpfe aus dem System COAXn und 3- und 5achs-CNC-Fräszentren integriert worden. Eine weitere Variante ist die Verwendung in Standard-Laserbearbeitungsmaschinen in Gantry-Bauart für Präzisionsbearbeitungen und große Arbeitsräume.

Die mit den COAXn-Köpfen hergestellten Strukturen reichen von filigranen Einzelraupen mit Breiten und Höhen von wenigen zehntel Millimetern über größerflächige Beschichtungen mit Schichtdicken von maximal 2,5 mm bis hin zu 3D-Geometrieaufbauten. Beispiele für hochpräzise Anwendungen sind Laseranlagen zur Reparatur von komplex geformten Triebwerkkomponenten wie Schaufeln, Scheiben und Blisks. Auf der anderen Seite werden heute auch große Umformwerkzeuge aus dem Automobilbereich durch lokale Laser-Auftragschweißungen repariert und schnell im Design geändert. Ein Beispiel einer Anwendung aus dem Bereich des Oberflächenschutzes ist der Verschleißring eines Ölbohrwerkzeugs. Die Verschleißflächen werden mit WC/NiCrBSi gepanzert. Die Prägewalzen eines anderen Beispiels erhalten eine vergleichsweise filigrane Hartmetallbeschichtung auf TiC-Basis im Bereich der Prägespitzen.

Durch das Strahlwerkzeug Laser gelingt eine partielle und endkonturnahe Beschichtung. Der Wärmeeintrag ist vernachlässigbar gering, wodurch der Wärmebehandlungszustand des gesamten Bauteils grundsätzlich erhalten bleibt. Verzug und Maßänderungen infolge des Schweißprozesses sind stets geringer als bei konventionellen Auftragschweißverfahren, und benachbarte Bauteilzonen bleiben in aller Regel unbeschädigt.

Besuchen Sie uns auf der Lasermesse 2005 vom 13. – 16. Juni 2005 auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand, Halle B3 Stand 145.

Ihre Ansprechpartner für weitere Informationen:

Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik Dresden
01277 Dresden, Winterbergstr. 28
Dr. Steffen Nowotny
Telefon: (0351) 25 83 241
E-mail: steffen.nowotny@iws.fraunhofer.de

Presse und Öffentlichkeitsarbeit
Dr. Ralf Jäckel
Telefon: (0351) 25 83 444
Telefax: (0351) 25 83 300
E-mail: ralf.jaeckel@iws.fraunhofer.de