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Mal dick auftragen – mit Lasern kein Problem

Formen schnell und kostengünstig reparieren
Mal dick auftragen – mit Lasern kein Problem

Das Auftragschweißen mittels Laser bietet Werkzeugbauern die Möglichkeit, Formen und Werkzeuge wirtschaftlich instand zu setzen. Dabei spielt es keine Rolle, ob ein Bearbeitungsfehler zu einem Untermaß geführt hat, der Auftraggeber eine Änderung wünscht oder das Teil verschlissen ist.

Von unserem Redaktionsmitglied Haider Willrett

Beim Polieren einer Spritzgießform für einen Pkw-Scheinwerfer bemerkte der Werkzeugbauer ein Untermaß von einigen Hundertstel Millimetern. Was eigentlich Ausschuss war, retteten die Techniker vom Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT), Aachen, mit ihrer Anlage zum Laser-Auftragschweißen. Metallschichten zwischen 0,1 mm und mehreren Zentimetern sollen sich damit innerhalb von Minuten sehr präzise auftragen lassen. Im Vergleich zur Alternative, eine neue Form herzustellen, reduziert sich der Kosten- und Zeitaufwand damit erheblich.
Der Laser schmilzt den Zusatzwerkstoff und eine dünne Schicht – nur wenige Zehntel Millimeter – der Werkstückoberfläche auf und verbindet beide metallurgisch miteinander. Da sich der Laserstrahl sehr genau fokussieren lässt, bleibt die Wärmeeinflusszone lokal eng begrenzt. Einbrandkerben und Gefügeveränderungen, wie sie bei manuellen Auftragsverfahren wie dem Wolfram-Inertgas(WIG)-Schweißen auftreten, entstehen mit der Lasertechnik nicht. Zudem fällt der Verzug laut Dr.-Ing. Andres Gasser vom ILT „nur bei sehr filigranen Strukturen wie etwa Stegen mit einer Breite im Millimeterbereich ins Gewicht“. Nicht nur Bearbeitungsfehler – auch bei polierten Teilen – kann der Anwender mit dem Laser beheben. Verschlissene oder korrodierte Stellen lassen sich ebenso instandsetzen, wie Designänderungen am Spritzgießteil einbringen. Der formgenaue Auftrag vereinfacht und beschleunigt die Nacharbeit deutlich.
Die Werkstoffzufuhr kann in Form eines Drahtes oder als Pulver erfolgen. Die Gründe, weshalb die Aachener Ingenieure sich für die zweite Variante entschieden haben, beschreibt Gasser so: „Der Draht muss sehr viel genauer geführt werden, als ein Pulverstrahl. Dadurch ist der Progammieraufwand wesentlich größer. Außerdem stehen viel mehr Werkstoffe in Pulverform zur Verfügung.“ Grundsätzlich können alle gängigen Kunststoff-Formenstähle mit dem Laser bearbeitet werden. Besonders bei hochlegierten Stählen und Stählen mit Härten größer 60 HRC ist die Schweißbarkeit jedoch im Einzelfall zu prüfen. Das Verfahren funktioniert auch bei pulvermetallurgischen Stählen oder Aluminiumlegierungen. Die Schichthärten bei Stählen lassen sich im Bereich zwischen 20 und 63 HRC auf die jeweiligen Anforderungen abstimmen.
Für ihre leistungsstarken, automatisierten Aufschweiß-Anlagen verwenden die ILT-Techniker Festkörper-(Nd:YAG) oder Diodenlaser. Grund: Der Prozesswirkungsgrad dieser Typen liegt höher als beim CO2-Laser. Welcher der beiden schließlich zum Einsatz kommt, „ist von der Anwendung abhängig und von Fall zu Fall zu entscheiden“, erklärt Gasser. Der Diodenlaser verfüge über einen um den Faktor zehn besseren Wirkungsgrad als der Nd:YAG. Andererseits biete der Festkörperlaser eine wesentlich größere Brennweite. Gerade wenn bestimmte Bereiche einer Form nicht direkt für den Laserkopf und die Werkstoffzufuhr zugänglich sind und deshalb ein größerer Abstand zum Werkstück nötig ist, ist das ein wesentlicher Vorteil.
Derzeit arbeiten die Forscher des ILT an einer CAD-Anbindung ihrer Anlage. Bis in etwa zwei Jahren soll es möglich sein, Werkstücke maschinell zu vermessen, die Ergebnisse mit den CAD-Daten abzugleichen und automatisch ein Bearbeitungsprogramm für die Aufschweißanlage zu erzeugen. „Ein entscheidender Fortschritt, wenn man bedenkt, dass die Programmierarbeit im Moment den größten Aufwand darstellt“, ist ILT-Ingenieur Gasser überzeugt. „Der eigentliche Aufschweißvorgang dauert meist weniger als eine halbe Stunde.“ Außerdem streben die Aachener die Zertifizierung des Verfahrens für sicherheitsrelevante Bauteile an. Um das zu erreichen, führt das ILT umfangreiche Versuche in Zusammenarbeit mit Kunden durch.
Mittlerweile bieten einige Unternehmen das Verfahren auch als Dienstleistung an, unter anderem ein Spinn-Off-Unternehmen des ILT, die Naixus Lasertechnik GmbH, Aachen.
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