Hydraulikkolbenstangen mit Hochleistungslaser beschichten

  • 12. October 2017

Antriebs- und Steuerungstechnik eines indus­tri­ellen Ferti­gungs­­pro­zesses opti­miert.

In enger Zusammenarbeit mit Bosch Rexroth entwickelte das Fraun­hofer-Institut für Werk­stoff- und Strahl­technik einen Prozess für effi­zientes Hoch­leistungs-Laser-Pulver-Auf­trag­schweißen. Im nieder­ländischen Boxtel rüsteten Wissen­schaftler eine Anlage für das Beschichten großer Hydraulik-Kolben­stangen bis zu 19 Metern Länge und sechs­hundert Milli­meter Durch­messer um. Das neue Ver­fahren steigert die Produk­ti­vität der Anlage um ein Viel­faches, indem es Auftrags­raten von bis zu 15 Kilo­gramm pro Stunde ermög­licht. Die System­technik der Anlage opti­mierten die Forscher für Laser­leistungen von bis zu zwanzig Kilo­watt und berei­teten sie außer­dem für Industrie-4.0-Anwen­dungen vor. Ideen für poten­zielle weitere Ent­wick­lungen werden in den kommenden Monaten Bosch Rexrodt und das Fraun­hofer-IWS gemein­sam erar­beiten. Geplant sind dem­nach der Auf­bau von geschlos­senen digi­talen Regel­kreisen, Simu­la­tion der Prozess­führung sowie die Anbin­dung von selbst­über­wachenden Kompo­nenten zur auto­ma­tischen Fehler­über­wachung und -mini­mierung zum Zwecke der Quali­täts­sicherung.

Laserauftragschweißen

Abb.: Für die Bearbeitung wird die Kolben­stange gedreht, während ein Laser mit gleich­mäßigem Vor­schub daran ent­lang geführt wird. (Bild: Fh.-IWS)

Konfiguration lassen sich mit dem neuen Verfahren zur Beschich­tung von Hydraulik-Kolben­stangen um ein Viel­faches höhere Pulver­mengen in deut­lich kürzerer Zeit verar­beiten. Ziel der Ent­wick­lung war es, Schweiß­gut so auf­zu­schmelzen, dass eine Beschich­tung entsteht, die Ver­schleiß und Korro­sion ver­ringert. Während sich bei dem alter­na­tiven Ver­fahren des ther­mischen Spritzens ledig­lich eine metal­lische Ver­klam­merung zwischen dem auf­ge­brachten Pulver und dem zu beschich­tenden Grund­werk­stoff ergibt, ent­steht bei der neu ein­ge­führten Lösung eine metal­lur­gische Schweiß­ver­bindung auf der Ober­fläche der Kolben­stange – bei gleich­zeitig geringer Eisen-Auf­mischung von niedrig­legiertem Grund­werk­stoff in die Deck­schicht. Im Unter­schied zum Plasma-Pulver-Auftrag­schweißen lassen sich beim Laser-Pulver-Auftrag­schweißen Auf­mischungs­grade von unter drei Prozent bereits bei ein­lagiger Beschich­tung erzielen.

Für die Bearbeitung werden die zu beschichtenden Hydraulik­stangen in der Anlage ein­ge­spannt und gedreht, während ein Laser mit gleich­mäßigem Vor­schub ent­lang der zu bear­bei­tenden Stange geführt wird. Auf diese Weise ent­steht eine spiral­förmige Beschich­tungs­raupe mit geringer Poro­sität und gleich­mäßiger Schicht­höhe. Die Laser­leistung beschleu­nigt das Schweiß­ver­fahren nicht nur erheb­lich, sondern bringt gleich­zeitig weniger Wärme ins Basis­bau­teil ein. So bleibt das Basis­material hin­sicht­lich Struktur und Form intakt. Je nach Einsatz­zweck und -bedin­gungen der Hydraulik­stange lassen sich ver­schie­dene Arten von Pulver­werkst­offen mit speziell ange­passten Eigen­schaften wie Ver­schleiß­bestän­dig­keit, Härte, Korro­sions­bestän­dig­keit oder spezi­fischen Reib­eigen­schaften auf­tragen.

Zusätzlich rüstete das Fraunhofer-IWS die Bosch-Rexrodt-Anlage mit einem speziell ent­wickelten, induk­tiven Erwär­mungs­prozess aus. Das ermög­licht eine gezielte Prozess­wärme­führung, wodurch auch riss­kritische und schwer schweiß­bare Beschich­tungen fehler­frei auf­ge­schweißt werden können. Somit gelang es Bosch Rexrodt, die Beschich­tungs­palette um spezi­fisch ange­passte Lösungen zu erwei­tern. Diese schützen wirk­sam gegen Korro­sion und stellen prei­swerte sowie umwelt­freund­liche Alter­na­tiven zu den konven­tio­nellen Nickel-Chrom-Beschich­tungen dar. „Wir können von einer einzig­artigen Ent­wick­lung sprechen“, sagt Bernd Boden­stedt, Technical Plant Manager von Bosch Rexroth Boxtel. „Die Opti­mie­rung der Anlage und der Techno­logie zielte nicht nur darauf ab, unsere tech­nischen Möglich­keiten sowie die Beschich­tungs­palette zu erweitern, sondern den gesamten Prozess hinsicht­lich Effi­zienz zu ver­bessern. Dank dem Fraun­hofer-IWS war es uns mög­lich, den Ende 2016 ein­ge­führten Prozess des Laser­strahl-Auf­trag­schweißens weiter aus­zu­bauen. Wir ver­fügen nun über einen weniger kritischen, dafür deut­lich stabi­leren Prozess – bei einer enormen Qualitäts­steigerung.“

Fh.-IWS / RK

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