Die Herstellung von Großbauteilen im Meterbereich, z.B. für Hydraulikkomponenten für die Schwerindustrie oder den Maschinenbau, ist oft mit einem enormen Ressourceneinsatz und Kosten verbunden. Aus ökologischen und ökonomischen Gründen sollen diese Bauteile möglichst lange in Betrieb bleiben. Doch Schäden durch Verschleiß und Korrosion verkürzen ihre Lebensdauer erheblich. Heute werden diese Bauteile durch metallische Beschichtungen von einigen hundert Mikrometern geschützt, die im Galvanik- oder thermischen Spritzverfahren aufgebracht werden. Diese Verfahren weisen jedoch erhebliche ökologische und technologische Mängel auf, die ihren Einsatz stark einschränken. Umweltschädliche Chemikalien, Lärmemissionen, hoher Brennstoff- und Materialverbrauch sowie begrenzte Korrosionsbeständigkeit und Schichtdefekte sind hier zu nennen.
Vorteile des Laserauftragschweißens für eine breite Anwendung nutzbar machen
Mit dem Laserauftragschweißen (englisch: Laser Material Deposition, LMD) lassen sich hochqualitative, dichte, schmelzmetallurgisch gebundene Metallschichten ohne umweltschädliche Chemikalien und Lärmemissionen ressourcenschonend herstellen. Doch trotz dieser Vorteile konnte sich das Verfahren bisher nur in einzelnen Anwendungen durchsetzen. „Die wesentlichen Restriktionen für den zögerlichen Einsatz, insbesondere bei kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU), sind der hohe Bedarf an Expertenwissen und der hohe Aufwand für die benötigten, umfangreichen Versuchsreihen zur Ermittlung geeigneter Prozesseinstellungen“, weiß Dr. Ralf Polzin, Geschäftsführer von TIME in Wissen, zu berichten. Zudem erreiche LMD eine begrenzte Produktivität im Verhältnis zu den Investitionskosten. Vor diesem Hintergrund wollen TIME und Fraunhofer ILT gemeinsam mit den brasilianischen Partnern ein neuartiges prädiktives Simulationsmodell entwickeln, um geeignete Prozesslandkarten zur Herstellung defektfreier Schichten automatisiert vorherzusagen. Mit dem Modell werden die physikalischen Prozesse in der Strahl-Stoff-Wechselwirkungszone und bei der Spurbildung exakt beschrieben und der Einfluss prozessrelevanter Einflussgrößen – wie Transmissionsgrad, Partikelerwärmung im Strahlengang, Erwärmung des Substrates und Spurbildung – in Abhängigkeit der Verfahrensparameter quantifiziert.
Simulation ermöglicht Skalierung der Produktivität
Die berechneten und experimentell verifizierten Prozessparameter werden direkt in ein maschinenlesbares Ausgabeformat überführt und durch eine neuartige zerstörungsfreie Ultraschallmikroskopie-Prüfmethode zur Erkennung von Poren und Bindefehlern unter Anwendung von Methoden der künstlichen Intelligenz qualifiziert. „Das Simulationswerkzeug wird es ermöglichen, die Produktivität bestehender Prozesse in Bezug auf Flächenrate und anwendbare Laserleistungen über weite Bereiche systematisch zu skalieren“, erklärt Dr. Thomas Schopphoven, Leiter der Abteilung Laserauftragschweißen am Fraunhofer ILT. Metallische Schichten mit einer Dicke von 500 μm sollen dann mit Beschichtungsraten im Bereich von einigen Quadratmetern pro Stunde aufgebracht werden können. Mit diesem Ansatz ist eine sogenannte „First-Time-Right“-Produktion perspektivisch unabhängig von der Erfahrung des Bedieners möglich. Durch diese dynamische Prozessauslegung auf Basis der Simulation wird erwartet, dass die technologischen Vorteile des Laserauftragschweißens auch von KMUs genutzt werden können. „Zahlreiche Unternehmen, sowohl in Deutschland als auch Brasilien sind im projektbegleitenden Ausschuss vertreten und an den Ergebnissen des Forschungsvorhabens hochinteressiert“, sagt Dr. Andres Gasser, Senior Expert am Fraunhofer ILT. „Das System wird leichter in bestehende Produktionsumgebungen integrierbar sein, so dass viele Schweißfachbetriebe damit neuartige Anwendungen realisieren können.“
Spart Ressourcen und Energie
Durch die Bereitstellung dieser umweltfreundlichen Technologie für den breiten Markt wird das Projekt dazu beitragen, bei der Herstellung von Produkten Energie zu sparen und die Emission von Treibhausgasen zu verringern. Da sich darüber hinaus die Lebensdauer der so beschichteten Komponenten verlängert, werden auch Ressourcen für deren Herstellung eingespart. Dr. Polzin: „Die Projektpartner verfügen über verteiltes Wissen, das gemeinsam genutzt werden muss, um die beschriebenen Ziele zu erreichen. TIME bringt dabei die technologischen und wissenschaftlichen Kompetenzen auf den Feldern, Schweißen, Künstliche Intelligenz und Werkstoffprüfung ein.“ Gefördert wird das Projekt von Cornet (Collective Research Networking). Die Initiative vernetzt nationale und regionale Programme der Gemeinschaftsforschung verschiedener Länder miteinander, um internationale Forschungsprojekte zugunsten kleiner und mittelständischer Unternehmen zu ermöglichen. In Deutschland basiert Cornet auf der vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF). Die Förderung läuft über das Forschungsnetzwerk Mittelstand AiF.
