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TU Chemnitz

Laserauftragschweißen für geometrisch komplexe Oberflächen

Die Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik der TU Chemnitz unter Leitung von Prof. Dr. Thomas Lampke dringt mit dem Auftragen metallischer Gläser in die „Königsklasse“ des Laserauftragschweißens vor. Mit einer Anlage der Lunovu GmbH, Herzogenrath, werden die an der Professur vorhandenen Verfahrensvarianten des thermischen Beschichtens unter Nutzung der bestehenden Infrastruktur komplettiert. „Damit wird der Forschungsschwerpunkt Leichtbau durch Stahl unter Verwendung von Hochleistungswerkstoffen und deren Nutzung für die Oberflächenfunktionalisierung maßgeblich gestärkt“, so Lampke.

Das Konzept der Anlagenintegration beinhaltet eine gezielte Kombination unterschiedlicher Werkstoffe und Eigenschaftsprofile innerhalb eines Schichtsystems. So können die Vorteile von Metallen, Polymeren, Keramiken, Gläsern und Karbiden miteinander kombiniert werden. Das Laserauftragschweißen kommt vor allem dort zum Einsatz, wo teure oder große Bauteile werterhaltend vor Verschleiß geschützt oder repariert werden müssen. Dazu gehören beispielsweise Triebwerks- oder Turbinenelemente.

Beim Laserauftragschweißen wird der partikelförmige Schweißzusatzwerkstoff im Fokuspunkt der Pulverdüse durch einen angepassten Laser aufgeschmolzen und schichtweise auf die Bauteiloberflächen aufgetragen. Durch die geplante Integration eines 3-D-Linienscanners in die Robotersteuerung können nun geometrisch komplexe Oberflächen kontinuierlich beschichtet werden.

Die Anlage verfügt über einige Besonderheiten: So wird die Laserleistung des 4-kW-Diodenlasers softwareunterstützt über ein Hochgeschwindigkeitspyrometer gesteuert. Dabei wird der Temperatureintrag in das Substrat als rechnerische Größe während des Beschichtungsvorgangs berücksichtigt, um Hotspots zu vermeiden und die Naht- bzw. Schichtqualität auch bei großen Flächen konstant zu halten. Besonders bei der Verarbeitung sogenannter Clustermaterialien bzw. metallischer Gläser ist dies erforderlich, da der Energieeintrag minimal sein muss, um die Kristallisationsneigung infolge zu langsamer Abkühlung zu unterdrücken. Darüber hinaus verfügt die Anlage über eine Hochgeschwindigkeits-Thermografie. Mit der dazugehörigen Kamera der InfraTec GmbH Infrarotsensorik und Messtechnik aus Dresden, die derzeit eine der schnellsten auf dem Markt ist, lässt sich der Wärmeeintrag des Lasers in den Werkstoff exakt quantifizieren.

Diese exzellente gerätetechnische Ausstattung hat bereits zu ersten nationalen und internationalen Forschungsprojekten mit der Industrie geführt, weitere grundlagen- und anwendungsorientierte Vorhaben sind in Vorbereitung. Unter anderem soll die Lasertechnologie im geplanten Sonderforschungsbereich mit dem Arbeitstitel „Hochleistungsstahl“ eingebunden werden.

Finanziert wurde die Laserauftragschweißanlage zzgl. der analytischen Peripherie paritätisch durch Mittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und den Freistaat Sachsen in Höhe von 600 000 Euro.

www.tu-chemnitz.de/mb/WOT/


Mit der neuen Laserauftragschweißanlage können verschiedene metallische Werkstoffe verarbeitet werden, hier eine Eisen-Nickel-Phosphor-Kohlenstoff-Legierung.

FOTO: TU CHEMNITZ/JACOB MÜLLER