Wirkungsgradsteigerung thermischer Beschichtungs- anlagen durch Energiequellenkombination (SPRAYNERGY)

Problemstellung
Lasergestützte Beschichtungsverfahren (Pulver- und Draht-Auftragschweißen, Umschmelzen oder Glasieren thermisch gespritzter Schichten) sind aus modernen Fertigungsprozessen nicht mehr wegzudenken. Anwender aus den unterschiedlichsten Branchen wählen diese laserunterstützten Verfahren aus, weil eine außerordentlich hohe Präzision des Materialauftrags, eine gute Steuer- und Automatisierbarkeit des Prozesses sowie die überragenden Eigenschaften der hergestellten Schichten und 3D-Strukturen vorhanden sind. Andererseits begrenzte der schlechte Gesamtwirkungsgrad bisher massiv die Anwendungsbreite dieser Technologiegruppe. Der sich daraus ergebende zwingende FuE-Handlungsbedarf motivierte sich nicht nur über das Erschließen neuer Anwendungsfelder, sondern insbesondere auch über die aktuell zunehmende Bedeutung der Verbesserung der Energieeffizienz von Laserprozessen insgesamt. Die Projektidee der koaxialen Zufuhr von effizient erwärmtem Zusatzmaterial als völlig neuartiger Lösungsansatz im Bereich des Thermischen Laser-Beschichtens konnte erfolgreich realisert werden.

Projektziele
Das Ziel des Vorhabens bestand in der Erarbeitung einer innovativen Lösung zur Steigerung des energetischen Gesamtwirkungsgrads von Produktionsmaschinen zum Laser-Auftragschweißen. Der Lösungsansatz sah die Aufteilung und Kombination der zugeführten Energien in Form des weniger effizienten Lasers sowie anderer hocheffizienter Energieformen vor. Hierbei sollte die Energie vom Erwärmen bis Aufschmelzen des Zusatzmaterials (Pulver und Draht) in geeigneter Weise durch elektrische und induktive Erwärmung bzw. durch Erwärmung in autogenen Flammen unmittelbar dem Schweißgut selbst zugeführt werden können. Der Laserstrahl wird zur Führung des Prozesses einschließlich eines definierten, geringen Anschmelzens des Grundmaterials verwendet. Das Prinzip des einstufigen Laser-Auftragschweißens mit der lasertypisch präzisen Lokalisierbarkeit und mit hohen Auftragwirkungsgraden von über 90 % kann dabei vollumfänglich erhalten bleiben. Die Zufuhr des erwärmten Schweißgutes erfolgt zentrisch in der Laserstrahlachse als notwendige Voraussetzung für die erfolgreiche Umsetzung des physikalischen Prinzips. Die verfahrenstechnischen Projektergebnisse können auf einer prototypischen anlagentechnischen Lösung realisiert und als energieeffizientes Beschichtungsverfahren produktionstechnisch demonstriert werden.

Vorgehensweise
Die Vorgehensweise beruht auf der axialen Zufuhr eines geregelt vorgewärmten Zusatzwerkstoffs in einem hohlkegelförmigen Laserstrahl. Dieses ist die Voraussetzung, um den maximal erzielbaren Wirkungsgrad der betreffenden Teilprozesse auszunutzen und wesentliche Verbesserungen bezüglich des Gesamt-Prozesswirkungsgrades im Vergleich zum herkömmlichen Laser-Auftragschweißen zu erzielen. Die physikalische Grundlage für die Realisierung dieser Herangehensweise besteht in der Aufteilung der Gesamt-Prozesswärme getrennt nach Zusatzwerkstoff und Grundmaterial. Hierdurch können sowohl Einfluss auf die Effizienz der zugeführten Energie genommen als auch die Energieverluste minimiert werden. Die Umsetzung dieses Konzepts in eine energieeffiziente Produktionsmaschine stellt die grundlegende Schlüs-selinnovation des Vorhabens dar. Sie erfordert die intelligente Verknüpfung von deren Komponenten und thermischen Prozessen, die ihrerseits eigenständige Innovationen repräsentieren. Im einzelnen betrifft dies neue, hochintegrierte Laser-Bearbeitungsköpfe auf der Basis angepasster Laserstrahlformung, die dynamische Drahterwärmung, die völlig neuartigen autogen erwärmten Pulverzufuhrstrecken sowie die wirkungsgradoptimierte technologische Kopplung der unterschiedlichen Energiequellen.

Anwendungspotenzial
Die Wirkungsgradoptimierung des Laserbeschichtens ist nicht nur vor dem Hintergrund globaler ökologischer Herausforderungen geboten, sondern stellt auch den Schlüssel zu einer wesentlichen Erweiterung der betreffenden Anwendungsgebiete infolge sinkender Prozesskosten dar. In vielen Industriebereichen, beispielsweise in der Instandhaltung von Stahlwerken und dem Panzern von Ölbohrwerkzeugen sowie im Werkzeugbau, gibt es vielfach allein aufgrund der hohen spezifischen Energiekosten Restriktionen beim Einsatz der Lasertechnik. Die Eigenschaften der mittels Laserbeschichtens hergestellten Schutzschichten überzeugen dagegen schon lange, insbesondere wegen der exzellenten Haftung und Kantenstabilität. Werden die Projektziele bezüglich Schichtqualität und Wirkungsgrad erreicht, ergeben sich für den Anwender im Vergleich zum derzeitigen Stand der Technik so wesentliche ökonomische Vorteile, dass für die betreffende entwickelte Prozesstechnik ein großer Bedarf resultiert. Hierbei stellt die vorgesehene Laserbeschichtungsanlage mit zentraler Zufuhr von erwärmtem draht- und pulverförmigem Zusatzwerkstoff ein integrierendes Vorhabensergebnis dar. Sie lässt Energieeinsparungen von mindestens 30 % oder eine um mindestens 40 % höhere Auftragleistung bei gleichem Energieeinsatz im Vergleich zum Laserbeschichten ohne Vorwärmen des Zusatzwerkstoffs erwarten. Die Nutzung nach Projektabschluss sieht vor, sowohl die Gesamtanlage für Endanwender zu vermarkten als auch Teilkomponenten, wie die Laser-Bearbeitungsköpfe und Module zur Werkstofferwärmung zur Integration in Laser-Bearbeitungsmaschinen anzubieten. Weiterhin eröffnen die erwarteten Vorhabensergebnisse umfangreiches Nutzungspotential beim Erschließen neuer Anwendungsfälle für die Lasertechnik, die bisher aus Gründen der Effizienz und Wirtschaftlichkeit nicht zugänglich waren. Die entsprechenden Nutzungsmöglichkeiten hierfür erstrecken sich von Bauteil-Beschichtungstechnologien für Endanwender über das Erarbeiten von Beschichtungslösungen, die insbesondere aus werkstofftechnischer Sicht grundlegend neu sind, bis hin zu Arbeiten im Sinne von erweiterter Lohnfertigung.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• GTV Verschleißschutz GmbH
• HIGHYAG Lasertechnologie GmbH