Linie modularer Bearbeitungsköpfe für das Laser-Auftragschweißen mit Pulver und Draht

Lasertechnische Beschichtungsverfahren spielen in der Luftfahrtindustrie längst eine Schlüsselrolle. Denn das lasergestützte Additive Manufacturing bietet die Möglichkeit, komplexe Bauteil-Geometrien zu realisieren, die Produktqualität zu erhöhen und sich von Wettbewerbern abzusetzen. Gefragt sind leistungsfähige Prozesse, Strahlwerkzeuge und Bearbeitungsköpfe, die unterschiedliche Werkstoffe metallurgisch verbinden oder Strukturen generieren. Mit ihnen lassen sich Oberflächen funktionalisieren, Bauteil-Designs nachträglich ändern oder langlebige Baugruppen reparieren, statt sie komplett auszutauschen.

Das entsprechende Werkzeug bietet die Systemfamilie »COAX«. Sie umfasst eine komplette Linie modularer Bearbeitungsköpfe für das Laser-Auftragschweißen mit Pulver und Draht. Dafür entwickelt das Fraunhofer IWS spezielle Beschichtungsköpfe, die den Werkstoff koaxial zum Laserstrahl der Bearbeitungsstelle zuführen und ein richtungsunabhängiges Schweißergebnis ermöglichen. Zum Einsatz kommen diese Systeme in gängigen Laseranlagen und hybriden Bearbeitungszentren für die Additive Fertigung. Speziell entwickelte Beschichtungseinheiten sind für den Einsatz unter extremen Bedingungen oder beengten Raumverhältnissen optimiert, andere für besonders feine Strukturen oder für hochwertige Werkstoffe wie Titan oder Hochentropie-Legierungen geeignet. 

Energie- und Ressourceneffizienz werden zunehmend wichtiger. Für den konventionellen Stahlbau hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS daher gemeinsam mit Partnern eine Alternative entwickelt, die nicht nur eine Prozesstechniklösung darstellt, sondern auch die Grundlage für Hardware- und Lasersicherheit bildet. Neben einer schonenderen Bearbeitung hochfester Werkstoffe werden deutlich verringerte Energieaufwendungen und Kosten bei gleichzeitig stark erhöhter Prozessgeschwindigkeit möglich. Verglichen mit konventionellen Fügeverfahren lässt sich der Energieeintrag ins Bauteil um bis zu 80 Prozent reduzieren. Das anschließende Richten des Bauteils entfällt sogar ganz.

In vielen technischen Bauwerken steckt ein Anwendungsbeispiel für den Stahlbau. Egal ob Containerschiffe, Schienenfahrzeuge, Brücken oder Windkrafttürme, in allen diesen Konstruktionen können mehrere 100 Meter Schweißnaht vorhanden sein. Üblicherweise kommen dafür konventionelle industrielle Verfahren wie das Metall-Aktivgas-Schweißen oder das Unterpulverschweißen zum Einsatz. Das Problem dabei: Durch die geringe Intensität des Lichtbogens fließt ein Großteil der aufgewendeten Energie nicht in den gewünschten Schweißprozess, sondern geht in Form von Wärme in das Bauteil verloren. Der Energiebedarf für die Nachbehandlung der Schweißnaht liegt vielfach in ähnlichen Größenordnungen wie derjenige für den eigentlichen Schweißprozess. »Diese energieintensiven Verfahren rufen eine erhebliche thermische Schädigung des Werkstoffs hervor und führen zu starken Verzugserscheinungen der Konstruktion – somit zu hohen Kosten durch nachträgliche Richtarbeit«, betont Dr. Dirk Dittrich, der am Fraunhofer IWS die Gruppe Laserstrahlschweißen leitet.