Mehrdraht-Beschichtungsoptiken ermöglichen signifikante Steigerung der Prozessgeschwindigkeiten und Auftragsraten
Vom Gleitlager bis zur Raketendüse – Korrosions- und Verschleißschutzbeschichtungen sind aus der industriellen Fertigung nicht wegzudenken. Im Fokus stehen dabei sowohl die Effektivität als auch die Wirtschaftlichkeit der eingesetzten Verfahren: Möglichst schnell, material- und energieeffizient beschichten heißt die Devise.
Das drahtbasierte Laser Cladding vereint all diese Vorzüge und unterstützt zudem eine umfassende Prozessautomatisierung und -überwachung. Mit einer Materialeffizienz von 100 Prozent bei vergleichsweise niedrigeren Materialkosten hat sich das Verfahren als zukunftsweisende Alternative zum herkömmlichen MIG/MAG-Schweißen erwiesen.
Weiterer Pluspunkt: Anders als beim Pulver-Auftragschweißen ist dabei eine Verschmutzung der Umgebung durch den Beschichtungswerkstoff (Pulver-Overspray) ausgeschlossen.
Limitierender Faktor: Drahtzufuhr
Gängiges Setup beim Draht-Auftragschweißen ist eine laterale Einzeldrahtzufuhr, bei der Draht und Laserstrahl aus unterschiedlichen Richtungen an der zu beschichtenden Werkstückoberfläche zusammentreffen. Gegen diesen Ansatz spricht jedoch nicht nur die limitierte Auftragsrate.
Der Prozess ist zudem richtungsgebunden – das bedeutet, dass der Beschichtungsvorgang nach jeder Bahn unterbrochen wird, weil die Bearbeitungswerkzeuge abgesetzt, neu orientiert und gegebenenfalls zurückgefahren werden müssen.
Bearbeitungsoptiken mit koaxialer Drahtzufuhr ermöglichen mittlerweile zumindest eine richtungsunabhängige und unterbrechungsfreie Beschichtung. Bei diesem Ansatz wird der Draht zentral von oben zugeführt und mithilfe eines per Strahlformungsoptik aufgeteilten Laserstrahls aufgeschmolzen. Allerdings sind die Auftragsraten auch hier limitiert und die Laserleistung liegt bei maximal 6kW, was die möglichen Anwendungsbereiche einschränkt.
Laserline MultiWire-Optiken: Richtungsunabhängige Beschichtungsprozesse mit hohen Auftragsraten
Neuentwickelte Mehrdrahtoptiken von Laserline erlauben nun aber auch die Umsetzung richtungsunabhängiger Cladding-Prozesse mit höheren Auftragsraten bzw. größeren Schichtdicken. Möglich wird diese flexible Prozessführung aufgrund ihrer drei Drahtförderer, die zudem bei Drahtdurchmessern von bis zu 1,6 mm eine Steigerung der Auftragsrate um bis zu 200 Prozent erlauben.
Bei Laserausgangsleistungen von 10 kW und einer Schichtdicke von 1,5 bis 2 mm liegt die MultiWire-basierte Flächenauftragsrate für Stahl- und Nickellegierungen bei 0,35 bis 0,4 m2/h, die Materialauftragsrate bei 6 kg/h bzw. 6,5 kg/h.
Je nach Anwendung ist es aber auch möglich, die Optiken nur mit einem oder zwei Drähten zu bestücken. Die neuen Düsen sind sowohl mit den starren OTS-3 und OTS-5 Optiken als auch mit der Zoomoptik OTZ-5 aus dem Hause Laserline kompatibel und lassen sich aufgrund ihres Plug and Play-Designs ohne großen Aufwand anbringen. Letztere gewähren zudem maximale Freiheit bei der Gestaltung der Spotgrößen und Spurbreiten.
Optiküberwachung zur Qualitätskontrolle
Zusätzlich können die Laserline Bearbeitungsoptiken mit Monitoring-Lösungen verbunden werden, um den Gesamtzustand der Komponenten zu überwachen. Durch die Kopplung mit Prozess- und Temperaturüberwachungsmodulen wird zudem nicht nur eine umfassende Kontrolle des Beschichtungsvorgangs, sondern auch eine zuverlässige Qualitätsprüfung ermöglicht.
Das Entstehen von Materialfehlern wie Poren, Rissen und Delamination kann so weitestgehend vermieden werden. Treten während der Bearbeitung dennoch vereinzelt Unregelmäßigkeiten auf, registrieren die Überwachungslösungen diese – das betreffende Werkstück wird dann im Nachgang einfach ausgesondert. Mittels softwaregestützter Infrarotkameras lässt sich ferner die Schmelzbadbreite detailliert überwachen. Aufgrund ihres Plug-and-Play-Designs können sie schnell und unkompliziert an Cladding-Optiken wie OTS-5 und OTZ-5 montiert werden.
Ausblick
Neben klassischen Beschichtungsanwendungen eignet sich der MultiWire-Ansatz auch für 3D-Druck Applikationen, was das Verfahren zu einer interessanten Alternative zum WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing; additive Fertigung mit Drahtbogen) macht.
Aktuell stehen Kunden Düsen für Kaltdraht-Applikationen zur Verfügung, es wird aber bereits an neuen Heißdraht-Lösungen geforscht. Diese würden es aufgrund des vorerhitzten Drahts ermöglichen, die Laserleistung zu senken bzw. noch höhere Auftragsraten zu realisieren.
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