Laserline: Weniger Feinstaub mit Laserbeschichtung

Die Bremsscheibenbeschichtung mittels Diodenlaser wird aufgrund der erzielbaren Oberflächengüte und der Schnelligkeit und Wirtschaftlichkeit des Prozesses immer beliebter. Neue Möglichkeiten der Komponenten- und Prozessüberwachung erleichtern zudem nicht nur die Qualitätskontrolle, sondern auch die Digitalisierung.

Die Feinstaubbelastung der Atemluft gehört in urbanen Regionen zu den unbestreitbaren Gesundheitsgefahren. Rußteilchen und andere mikroskopisch kleine Partikel gelten nicht nur als mögliche Auslöser von Allergien sowie Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen, sondern werden teilweise auch als krebserregend eingestuft. In der öffentlichen Debatte sind vor diesem Hintergrund vor allem Verbrennungsmotoren ins Visier der Kritik geraten. Als vermeintliche Lösung des Problems wird oft der Umstieg auf Elektroantriebe angesehen. Wissenschaftliche Untersuchungen belegen jedoch, dass einer der Hauptverursacher innerstädtischen Feinstaubs sich selbst durch einen Umstieg auf E-Mobilität nicht beseitigen lässt – der Abrieb der klassischen Grauguss-Bremsscheiben. Tatsächlich macht der Bremsstaub motorisierter Straßen- und Schienenfahrzeuge über ein Viertel der urbanen Feinstaubbelastung aus. Der Verringerung der Abrasion von Bremsscheiben und -belägen kommt somit eine Schlüsselrolle bei der Reduzierung von Feinstaubemissionen zu. Die neue Abgasnorm Euro 7, deren Einführung für den Sommer 2025 geplant ist, sieht dementsprechend erstmals konkrete Grenz-
werte für die Bremsstaubentwicklung vor.

Als ein technisch überaus effektiver und zugleich wirtschaftlicher Lösungsansatz der Feinstaubproblematik hat sich die Laserbeschichtung von Bremsscheiben herauskristallisiert. Unter dem Einsatz von Hochleistungsdiodenlasern realisiert, kombiniert sie langfristigen Korrosions- mit langanhaltendem Abrasionsschutz. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass für die Umsetzung der Beschichtungen weder der gängige Graugusswerkstoff noch die Produktionsprozesse angepasst werden müssen. Vielmehr erfolgt der Beschichtungsauftrag in einem letzten aufwertenden Produktionsschritt, der pro Bremsscheibe nur etwa eine Minute dauert.

Flexibler Prozessaufbau

Grundvoraussetzung für die Etablierung dieser wirtschaftlichen und kurzen Prozesszeiträume ist der Einsatz von Hochgeschwindigkeitsverfahren. Diese beschränken die thermische Belastung des Werkstücks auf ein Minimum und ermöglichen es zugleich, sehr dünne und dennoch robuste Beschichtungen zu erzeugen. Realisiert wird üblicherweise eine Hartstoffbeschichtung, bei der die Scheibe mit Geschwindigkeiten von bis zu 400 m/min unter der Bearbeitungsoptik hindurchbewegt wird. Wie bei jeder Laserbeschichtung entsteht hierbei eine hochstabile schmelzmetallurgische Verbindung zwischen Grund- und Beschichtungswerkstoff. Die hohe Prozessgeschwindigkeit erlaubt es darüber hinaus, Laserleistungen von bis zu 24 kW einzubringen und Verformungen der Komponenten dennoch auf ein Minimum zu reduzieren. Dadurch lassen sich strapazierfähige Beschichtungen ab circa 50 µm Dicke herstellen, während marktübliche Laserbeschichtungen eine Dicke ab circa 0,5 mm aufweisen.
Zumeist wird heute ein Prozessaufbau mit leicht geneigter Scheibe bevorzugt, wodurch die Prozessreflexion an Optiken und Beschichtungsdüsen vorbeigelenkt und so die Belastung der Komponenten so weit wie möglich reduziert wird. Ebenso gut möglich ist aber auch eine horizontale oder vertikale Ausrichtung der Bremsscheibe, wobei letztere sogar eine simultane Beschichtung beider Seiten ermöglicht. Allerdings ist bei dieser Variante der Pulverwirkungsgrad etwas niedriger als bei den anderen Setups.

Hoher Pulverwirkungsgrad, ruhiges Schmelzbad

Allen Verfahrensvarianten ist die Zielsetzung gemein, einen möglichst hohen Anteil der aufgeblasenen Pulverpartikel bereits im Flug aufzuschmelzen, um so ein kleines Schmelzbad und zugleich einen geringen Wärmeeintrag in den Grundwerkstoff zu erreichen. Die hierfür entscheidenden Parameter sind eine exakte Ausrichtung der Pulverflugbahn sowie die richtige Korngröße und Trägergasmenge. Ein Vorteil von Diodenlasern ist hierbei zudem ihr homogener Ausgangsstrahl, der Scheibenoberfläche und Pulver gleichmäßig aufschmilzt und so Überhitzungen des Pulvers im Zentrum des Laserstrahls unterbindet. In der Folge entsteht ein ruhiges Schmelzbad mit geringer Aufmischung von Grund- und Beschichtungswerkstoff. Die Spotgröße liegt meist zwischen 3 und 8 mm, die Intensität bei 1 bis 2 kW/mm². Werden alle Verfahrensparameter korrekt eingestellt, ist ein Pulverwirkungsgrad von über 90 Prozent realistisch – angesichts der hohen Materialkosten für Beschichtungspulver ein weiterer erheblicher Vorteil.

Um eine kombinierte Korrosions- und Abrasionsschutz-Beschichtung zu erzielen, wird ein zweistufiger Schichtauftrag mit Taktzeiten von unter 20 Sekunden je Schicht realisiert. Hierzu wird zunächst eine Pufferlage aus antikorrosivem Werkstoff aufgebracht, auf der anschließend eine zweite carbidhaltige Schicht aufgebaut wird, die für den bremsstaubreduzierenden Verschleißschutz sorgt. Am häufigsten kommen hier Titan- und Wolframcarbid zum Einsatz; die konkrete Materialzusammensetzung ist jedoch variabel und orientiert sich unter anderem am Marktsegment. So ermöglicht es etwa die flexible Mischung und Nutzung von Pulverwerkstoffen, für Fahrzeuge im mittleren und unteren Marktsegment günstige und dennoch effektive Beschichtungen herzustellen. Für Fahrzeuge im Premiumsegment sind hingegen besonders hochwertige Beschichtungen mit noch höheren Standzeiten und kostenintensiveren Werkstoffen möglich. Die Resultate sprechen für sich: So bestätigen Testergebnisse des Fraunhofer IWS etwa für Wolfram-Carbid-Beschichtungen eine Feinstaubreduktion von bis zu 60 Prozent sowie eine Verringerung des Bremsbelagverschleißes um zwei Drittel.

Detaillierte Prozesskontrolle erleichtert Qualitätsmanagement

Der Prozess ist mittlerweile hinlänglich erprobt und kann in der Serienfertigung eingesetzt werden. Neue, umfassende Methoden der Prozess- und Komponentenüberwachung, wie sie zum Beispiel Laserline anbietet, unterstützen zudem eine noch zuverlässigere sowie genauere Fehlererkennung und Qualitätskontrolle. So lässt sich das Entstehen von Materialfehlern wie Rissen, Poren und Delamination (Verbindungsfehler zwischen den Schichten) weitestgehend verhindern. Treten während des Cladding Prozesses doch vereinzelt Unregelmäßigkeiten auf, detektieren die verschiedenen Monitoring-Lösungen diese – die betreffende Bremsscheibe kann dann im Nachgang gezielt ausgesondert werden. Die Überwachung deckt dabei nicht nur das Schmelzbad und die Pulverzufuhr ab, sondern erstreckt sich auch auf die Temperatur des Kühlwassers und das Streulicht. Zwar war es bislang bereits möglich, das Schmelzbad mit CMOS-Kameras (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, Komplementärer Metalloxid-Halbleiter) zu visualisieren. Neuartige softwaregestützte Infrarotkameras – sogenannte CLAMIR Systeme (Control for Laser Additive Manufacturing with Infrared) – erlauben jetzt aber ein noch detaillierteres Prozessmonitoring. Mittels Plug-and-Play-Anschluss lassen diese Systeme sich problemlos an Beschichtungsoptiken wie OTS-5 von Laserline anbringen und gewährleisten dann eine genaue Überwachung der Schmelzbadbreite.

Ferner ist mittels Prozessemissionsmessung mittlerweile auch ein präzises Monitoring von Laserleistung und Pulverzufuhr möglich: Kommt es beispielsweise zu Pulverfluktuationen, – etwa, weil das Pulver nicht gleichmäßig fließt oder eine Pulverdüse verstopft ist – registriert das Monitoring-System die dadurch verursachte Veränderung der Prozesshelligkeit und meldet diese beim Über- oder Unterschreiten festgelegter Referenzkurven automatisch als Fehler. Auf ähnliche Weise lässt sich auch die Laserleistung exakt überwachen; das System detektiert dabei bereits Abweichungen von circa zwei Prozent und zeigt diese zuverlässig an. Das koaxiale Monitoring der Prozessemissionen mittels Multi-Wellenlängen-Analyse bietet darüber hinaus eine zusätzliche Möglichkeit, Leistungsveränderungen des Lasers zu überwachen und spezifischen Wellenlängen ihre charakteristischen Fehler zuzuordnen. Die Überwachung erleichtert somit die spätere Fehleranalyse, da das System dem Bediener umgehend einen Hinweis auf deren Ursache liefert

Optiküberwachung

Als Ergänzung zum Prozessmonitoring liefert die sogenannte Optiküberwachung, wie sie Laserline etwa für seine OTS-5 bietet, umfassende Daten zum Zustand der Bearbeitungsoptik. Die Messung erstreckt sich dabei von der Kühlmitteltemperatur in Vor- und Rücklauf über die Kühlmitteltemperaturdifferenz und den Wasserdurchfluss an der Optik bis hin zum Streulicht an der Kollimation. Die gewonnenen Daten werden mittels Schnittstelle an die Maschine übertragen.

Zudem erhöht eine neuentwickelte Schutzglaskassette den Schutz der Optik vor eindringenden Partikeln. Ein elektrischer Kontakt und eine doppelt gesicherte Einschubüberwachung stellen sicher, dass die Kassette korrekt im abgedichteten Gehäuse platziert und ein Glas eingelegt ist. Eine verbesserte aufrollbare Gummimanschette dichtet Faseranschluss und Optik zuverlässig ab und verhindert so selbst während der Wartung, dass lose Partikel in die Optik fallen. Der bestmögliche Schutz der hochwertigen Optiken ist somit jederzeit sichergestellt.

Grundlage für Industrie 4.0 Anwendungen

Die im Rahmen des Komponenten- und Prozessmonitorings gesammelten Daten lassen sich nicht nur zur Erleichterung der Fehleranalyse und Qualitätskontrolle nutzen. Vielmehr sollen sie perspektivisch auch in Industrie 4.0- und Smart-Factory-Anwendungen zum Einsatz kommen.

Aus diesem Grund beteiligt sich Laserline aktuell zusammen mit anderen Lasertechnikspezialisten an der Specification Companion Kooperation des VDMA, deren Ziel die Schaffung eines einheitlichen OPC UA Standards (Open Platform Communications Unified Architecture) für den plattformunabhängigen Datenaustausch sowie eine einheitliche M2M-und D2C-Kommunikation (Maschine-zu-Maschine, Device-to-Cloud = Gerät-zu-Cloud) ist. Diese Standardisierung wird in puncto Anlagenintegration neue Maßstäbe setzen und so Produktionsprozesse entschedend mitbeeinflussen. Durch Initiativen dieser Art wird die Digitalisierung künftig in immer mehr Industriebereichen
Fuß fassen.

Laserline Gesellschaft für Entwicklung und Vertrieb von Diodenlasern mbH
www.laserline.com