Entwicklung eines modularen Laserscannersystems mit integrierter Drahtfördereinheit zur Erweiterung der Prozessgrenzen beim Laserauftragschweißen (FlexScan)

Problemstellung
Die ständig steigenden Anforderungen an die Verschleißbeständigkeit von Maschinenkomponenten, Formen oder Werkzeugen sind zunehmend nur durch das Auftragen spezieller Verschleißschutz-Schichten zu erfüllen. Hierbei erlaubt das Laserauftragschweißen im Vergleich zu konventionellen Verfahren einen sehr gezielten lokalen Schichtauftrag bei nur geringer thermischer Beeinflussung des umgebenden Materials. Bisher verfügbare Laserscanner-Systeme waren entweder für hohe Dynamik und geringe Strahlleistungen oder für hohe Leistungen bei geringer Dynamik ausgelegt. Für das Laserauftragschweißen mit Drahtzuführung sind sie daher nur bedingt geeignet, ohne Scannereinsatz sind aber die möglichen Spurbreiten beim Beschichten recht eng begrenzt.

Projektziel
Ziel des Vorhabens war die Entwicklung eines modularen Laserscanner-Systems zum drahtbasierten Laserauftragschweißen. Durch die hochfrequente Oszillation des Laserstrahls in Verbindung mit einer zusätzlichen niederfrequenten Pendelung der Drahtzuführung kann die Temperaturverteilung im Schmelzbad und die resultierende Schweißnahtgeometrie gezielt dynamisch beeinflusst werden. Diese Kombination ermöglicht eine dynamische Variation der Schweißnahtbreite und damit eine verbesserte Anpassung an die geometrischen Gegebenheiten des Bauteils. Im Vergleich zu etablierten Verfahren können mit einer einzigen Laseroptik unterschiedliche Anwendungsfälle abgedeckt werden. Das optimierte Zusammenspiel beider Bewegungen ermöglicht letztlich eine Prozessführung, die im Vergleich zu bisher bestehenden Verfahren eine deutliche Steigerung der Verfahrensflexibilität und -effizienz bietet.

Vorgehensweise
Das systemseitige Wissen der ARGES GmbH wurde hierzu zunächst für den Aufbau eines Demonstrators zur Durchführung prozesstechnologischer Untersuchungen im Bereich des scannerbasierten Laserauftragschweißens genutzt. Die notwendigen prozesstechnologischen Untersuchungen und Analysen wurden vom Fraunhofer IPT durchgeführt. Für den Aufbau des Laserscanner-Systems waren von der ARGES GmbH optische und mechanische Systemkonzepte für hohe Leistungen im Bereich von 4 bis 5 kW zu entwickeln. Systemlösungen in diesem Leistungsbereich waren bis dahin nicht verfügbar. Neben diesen Arbeiten wurde vom Fraunhofer IPT eine Fördereinheit mit aktiver Drahtpendelung entwickelt, die in Zusammenarbeit mit der ARGES GmbH in das Laserscanner-System integriert wurde. Im Anschluss an den Systemaufbau wurden unter Berücksichtigung der prozesstechnologischen Ergebnisse weitere Optimierungen an der aktiven Drahtfördereinheit sowie bei der Koordination der Bewegungen von Laserbrennfleck und Drahtwerkstoff vorgenommen. Alle Ergebnisse wurden am Ende des Projekts in einem Abschlussbericht zusammengefasst.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Das entwickelte Scannersystem mit der neuen Drahtauslenkeinheit, die eine Auslenkung senkrecht zur Vorschubrichtung realisiert, ermöglicht nach dem jetzigen Erkenntnisstand Auftragsraupen mit einer Breite von bis zu 15 mm. Des Weiteren erhöht die aktive Drahtpendelaktorik sowohl die Flexibilität als auch die Auftragsleistung im Vergleich zum konventionellen Laserauftragschweißen. Zur Steuerung und Synchronisation des Laserscanners und der Drahtpendelaktorik wurde eine steuerungstechnische Integration und Anbindung in ein Werkzeugmaschinensystem realisiert. Durch eine geeignete Prozessführungsstrategie wurde eine gleichmäßige Anbindungszone ermöglicht und damit eine geringe und gleichmäßige Werkstoffvermischung erzielt. Die Qualifizierung des Laserscanner-Systems für das Laserauftragschweißen sowie die Entwicklung und Implementierung eines aktiven oszillierenden Drahtfördersystems in den Laserscanner ist für die ARGES GmbH ein wichtiger strategischer Meilenstein für die Erschließung neuer Märkte. Die ARGES GmbH kann mit diesem System Märkte adressieren, die bisher vom Unternehmen nicht angesprochen werden konnten. Einsatzbereiche sind z.B. Reparaturschweißungen an Turbinen (-schaufeln) im Kraftwerksbereich oder an Umformwerkzeugen, der Verschleißschutz von hochbeanspruchten Bauteilen des Werkzeug- und Formenbaus, aber auch das Auftragschweißen als generierendes Verfahren des Rapid Prototyping. Den entsprechenden Partnern und potenziellen Kunden wurden die Projektergebnisse auf einschlägigen Fachmessen und -kongressen (Laser, Photonics West, EuroBlech, EuroMold, „Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium“ (AWK) oder Kolloquium „Werkzeugbau mit Zukunft“) präsentiert.

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