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Adaptive laser cladding for precise metal coating based on inline topography characterization

Wirtschaftliches Potential verschleißresistenter Oberflächen

Jedes Jahr wird in Europa zwischen 1,3 und 1,6% des Bruttoinlandproduktes durch Verschleiß vernichtet. Das sind für das Jahr 2015 gerechnet zwischen 186 und 243 Mrd. Euro. Mittels Laser aufgetragene Verschleißschutzschichten können einen großen Beitrag leisten, die Oberflächen technischer Produkten zu verbessern und so den Verschleiß zu minimieren. Meist ist sogar eine Reparatur möglich, sodass Funktionsflächen wiederhergestellt und so Ressourcen, Kosten und Energie eingespart werden können.

Adaptives Laserauftragschweißen mittels Inline-Charakterisierung der Topografie

Beim Laserauftragschweißen kann der Zusatzwerkstoff pulverförmig oder drahtförmig vorliegen. Im Vergleich zum Pulverauftrag gibt es beim Auftrag mittels Metalldraht diverse Vorteile, wie die effizientere Werkstoffnutzung, der geringere Preis und die erleichterten Nachbearbeitungsschritte. Des Weiteren existiert eine mechanische Verbindung zwischen dem Beschichtungskopf und dem Werkstück. Daher wird die Prozessstabilität nicht nur vom Gleichgewicht der Energie und Massen, sondern auch vom Gleichgewicht der Kräfte beeinflusst. Aus diesem Grund stellt das drahtbasierte Laserauftragsschweißen eine höhere Anforderung an Überwachung und Kontrolle dar. Um eine ausreichende Prozessstabilität zu gewährleisten, ist der Laserspot oft überdimensioniert, wodurch die Wärmeeinflusszone unnötig vergrößert wird.

Das Ziel des Vorhabens ist daher die Umsetzung einer maschinenintegrierten Prozessüberwachung mit adaptiver Steuereinheit und Qualitätsprüfung auf Basis realer Prozessergebnisse. Durch Entwicklung und Integration eines hochpräzisen optischen Messsystems basierend auf der kurz-kohärenten Interferometrie kann die Auftragsraupengeometrie bestimmt und charakterisiert werden. Die Vorteile sind eine geringe Messunsicherheit, die Integration des Messstrahls im Laserstrahlengang und schlussendlich die Unabhängigkeit des automatisierten Prozesses von Bediener und verwendetem Werkstoff. Für die Umsetzung der Inline-Prozessüberwachung und Steuerung wird ein neuer Schweißkopf entworfen und ein angepasstes Drahtvorschubsystem entwickelt. Um den gesteigerten Anforderungen an das System Rechnung zu tragen wird eine adäquate Steuereinheit entworfen. Dazu werden Messdaten in Bezug auf die Prozessparameter erfasst, untersucht und für eine Simulation verwendet. Das Simulationsmodell dient dabei für die Optimierung und Auslegung der Steuereinheit. Abschließend an die Systementwicklung und Integration werden vordefinierte Demonstratoren gefertigt, um die Leistungsfähigkeit der neuen Komponenten zu zeigen.

Projektdetails

Koordinator

Dipl.-Phys.Niels König
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT)
Steinbachstr. 17, 52074Aachen
+49 241 8904-113

Projektvolumen

ca. 1,4 Mio. € (Förderquote 54,3%)

Projektdauer

01.09.2017 - 31.08.2020

Projektpartner

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT)Aachen
Precitec GmbH & Co. KGGaggenau
Dinse G.m.b.H.Hamburg
quada V+F ® Laserschweißdraht GmbHSchwerte