Smart beschichten

Das Aufbringen hoch legierter Schutzschichten auf ein niedrig legiertes Basismaterial ist seit Jahren in der Industrie etabliert. Anwendungen finden sich bei der Herstellung neuer oder der Reparatur bestehender Bauteile. Dabei unterscheidet man Verfahren, die eine metallurgische Verbindung erzeugen, wie Laserstrahl-Auftragsschweißen, und Verfahren, die eine mechanische Verbindung erzeugen, wie das Flammspritzen.

12. August 2015

Metallurgische Beschichtungen auf kleineren Oberflächen finden sich auf verschleißfesten Dichtelementen wie Sitz-, und Gleitringdichtungen. Die verschleißfeste Schicht wird mit einem Laser durch das Aufschmelzen eines Ni, Co oder Fe basierten Pulvers aufgebracht. Dabei kann es durch die Einlagerung von großen Karbidkörnern nahe der Oberfläche zu einer inhomogenen Struktur kommen und die Beschichtung neigt zu Rissen und Porenbildung.

Die KSD Köthener Spezialdichtungen GmbH hat deshalb das R:LM2-Verfahren entwickelt, bei dem die Eigenschaften des Beschichtungswerkstoffes vor dem Beschichtungsprozess am PC simuliert werden. Anschließend können Schichten erzeugt werden, die Umwandlungskarbide mit hartmetallähnlichen Strukturen enthalten. Solche Laserhartbeschichtungen sind riss- und porenfrei und können Härtegrade bis 68 HRC erreichen.

Das R:LM2-Verfahren ist mit einem Farbmischcomputer im Baumarkt zu vergleichen, der aus wenigen Grundfarben viele Farben herstellen kann. Aus einer begrenzten Zahl von Metallpulvern kann nahezu jeder beliebige Metallwerkstoff hergestellt werden. Anhand der Kundenanforderungen berechnet ein computergestütztes Materialsimulationsprogramm die Phasendiagramme und ermittelt die optimalen Mischungsverhältnisse der Ausgangsmaterialien. In der Vorentwicklung befindet sich eine virtuelle Eigenschaftsprognose, die sich aus den berechneten Phasendiagrammen ableitet. Die Werkstoff- und Temperaturwerte können in einer FEM-Analyse verarbeitet werden, um daraus Prozesskennwerte für den Auftragsschweißprozess zu ermitteln. Diese führen im Zusammenspiel mit einer interaktiven Prozesskontrolle und der CNC zu reproduzierbaren Ergebnissen bei der lasergenerierten Werkstoffherstellung.

Mit dem flexiblen Laserauftragsverfahren können unterschiedliche Werkstoffe beliebig an ein Bauteil aufgebracht werden. Im Bearbeitungsraum der KSD-Anlagen wird das Pulver mit einer Düse zum Bauteil zugeführt und mittels Laserstrahl geschmolzen. Die Formung der Beschichtung erfolgt durch die Bewegung der Düse durch ein Handling-System. Eine Prozesskontrolle überwacht und beeinflusst den Herstellungsprozess. Für die Erstellung der homogenen Beschichtung ist eine definierte Gasatmosphäre notwendig.

Derzeit nutzt KSD den Prozess für die Serienproduktion von Sitzdichtungen für Industriearmaturen und von Laufringen für Gleitringdichtungen und Drehdurchführungen. So müssen Gleitpaarungen in Panzerdichtungen 400.000 Kilometer Laufleistung pro Jahr standhalten und das gegenüber hochviskosen Medien mit abrasiven oder klebenden Eigenschaften. Auch Sitzdichtungen in Sicherheits-, Regel- und Stellarmaturen unterliegen oft extremen Belastungen, wie Kavitation und Strömungsverschleiß. Sie müssen Temperaturen von -255 bis +650 Grad Celsius und Hubzahlen von jährlich 100.000 in abrasiven und aggressiven Medien standhalten.

Weitere Anwendungen, über das Kerngeschäft der KSD hinaus, ist die Lohnfertigung für den Verschleißschutz an

• Wellenschutzhülsen und Wellen,

• Industrie- und Landwirtschaftsmesser,

• Mühlengehäusen und Mahlwerken ,

• Bodenbearbeitungsgeräten.

KSD hat für dieses Verfahren den zweiten Platz der Hugo-Junkers-Preisverleihung im Bereich der Angewandten Forschung des Landes Sachsen Anhalt erlangt. Zukünftig plant KSD, universell einsatzfähige Laser-Bearbeitungsmaschinen für den R:LM2 Prozess anzubieten. Diese Anlagen können als Universalmaschine für eine breite Anwendungspalette ausgelegt sein oder sie sind in komplette Fertigungslinien zur Herstellung tribologisch hochwertiger Bauteile integriert.

Neben dem Beschichten unternimmt die KSD GmbH auch Anstrengungen, R:LM2 für den 3D-Druck kompletter Bauteile zu nutzen. Eine Strategie ist die Wannenbauweise: Im ersten Schritt werden die Bauteil-Außenwände durch das direkte Aufschmelzen eines Pulvers aufgebaut. Minimale Spurbreiten bis 600 Mikrometer sind möglich. Die Außen- oder Wannenwände werden im zweiten Schritt mit deutlich größeren Spurbreiten aufgefüllt.

Der Nutzungsgrad des Pulvers liegt bei 75 Prozent und die Genauigkeit der Bauteile bei 0,2 bis 0,3 Millimeter. Das ist ein Faktor ~10 ungenauer gegenüber den additiven Pulverbettverfahren. Dafür kann R:LM2 mehrere Werkstoffe gleichzeitig verarbeiten. Darüber hinaus entfällt ein nachgelagerter Wärmebehandlungsprozess im Ofen, da die metallurgischen Eigenschaften während des Teileaufbaus erreicht werden. Das Verfahren bietet die Möglichkeit, Teile aus neuen Werkstoffen herzustellen, zum Beispiel aus intermetallischen Hartphasenwerkstoffen. Ein großer Vorteil ist auch die Reduktion der Zykluszeit für komplexe Bauteile.