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Draht- und Laserauftragschweißen „Enabling“-Beschichtung

Am 20. August 2021 stellte ein Team des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie (IPT) in Aachen, Deutschland, ein additives Fertigungsverfahren (AM) vor, das drahtbasierte und pulverbasierte Laserschmelzbeschichtung kombiniert. Die mit diesem Hybridverfahren hergestellte Werkzeugschutzbeschichtung ist nach Angaben des Teams verschleißfester, ressourceneffizienter und kostengünstiger als Beschichtungen, die mit herkömmlichen Laserauftragsverfahren hergestellt werden. Zudem ist das Hybridverfahren flexibler als reine drahtbasierte Beschichtungsverfahren.

Laserauftragschweißen erzeugt eine 3D-Struktur durch Laser Metal Deposition (LMD); Beim LMD-Verfahren wird die Oberfläche des Werkstücks mit einem Laserstrahl erhitzt und gleichzeitig der Zusatzwerkstoff in Form von Pulver oder Draht dem Schmelzbadbereich zugeführt. Wenn der Füllstoff schmilzt, bildet er eine Beschichtung auf der Oberfläche. Die Struktur kann Schicht für Schicht direkt auf der Werkstückoberfläche aufgebaut werden. LMD ist eine effektive Methode, um Schutzschichten aufzubringen, beschädigte Bauteile zu reparieren oder die Geometrie des Werkstücks zu verändern.

Draht- und Laserauftragschweißen "Enabling"-Beschichtung

Beim IPT-Hybridverfahren werden beim LMD Draht- und Pulverwerkstoffe gleichzeitig verarbeitet. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sie durch die Zugabe von Hartstoffpartikeln in Pulverform zum Draht erstmals mit LMD wichtige Materialeigenschaften in der Beschichtung wie Härte und Zähigkeit einstellen können.

Um die beste Materialkombination für unterschiedliche Anwendungen zu ermitteln, testeten die Wissenschaftler verschiedene Materialien. Für den Draht wählten sie Warmarbeitsstahl mit hoher Gefügefestigkeit und niedrig legierten Stahl mit guter Schweißbarkeit. Bei Pulverwerkstoffen wählten sie Chrom als Karbidbildungs- und Kornfeinungselement und Titankarbid (TiC) als Hartphase.

Durch die Kombination von Pulver und Draht können Wissenschaftler die Zusammensetzung des Materials für jede Anwendung anpassen. Sie veränderten gezielt das Gefüge des Werkzeugstahls und fügten Pulver hinzu, um die Härte der Beschichtung zu erhöhen. Selbst wenn eine kleine Menge TiC hinzugefügt wird, erhöht sich die Härte um 30%.

Die von einem Team des Fraunhofer IPT entwickelte Werkzeugbeschichtung in einem hybriden AM-Verfahren ist verschleißfester, ressourceneffizienter und kostengünstiger als andere Werkzeugbeschichtungen des Fraunhofer IPT

„Mit dem neuen Verfahren können wir jetzt schnell und flexibel auf unterschiedliche thermische, chemische und mechanische Belastungen reagieren, weil wir Zähigkeit und Härte präzise einstellen können“, sagt Projektleiter Marius Giperich.

Das neue Mischverfahren ist laut Giperich ideal, um den Oberflächenverschleiß zu minimieren und die Lebensdauer von Bauteilen zu verlängern. Es ist kostengünstiger als das reine Pulververfahren und hat eine höhere Materialflexibilität als das reine Drahtverfahren.

Die Wissenschaftler wollen ihre Methode auf die Entwicklung anderer Materialsysteme mit besonderen Eigenschaften anwenden. Außerdem wollen sie das Hybridverfahren für die Bearbeitung von Umformwerkzeugen und die Behandlung von Reib- und Verschleißschichten von Hydraulikkomponenten einsetzen.

Aktuell testet das IPT-Team den Einsatz hybrider Verfahren bei der Herstellung hierarchischer Beschichtungssysteme. Im Rahmen des Tests plant das Team, den TiC-Gehalt der Materialmischung so weit wie möglich zu erhöhen. Da TiC hohe Eigenspannungen verursachen und damit die Rissanfälligkeit beim Schweißen erhöhen kann, plant das Team, den TiC-Gehalt schichtweise anzupassen.

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