Laser Cladding ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem mit einem Laserstrahl ein Oberflächenauftrag auf ein Werkstück erzielt wird. Dazu wird die Werkstoffoberfläche durch den Laserstrahl aufgeschmolzen und gleichzeitig zugeführtes – meist pulverförmiges – Material aufgebracht. Das auch als Laserauftragschweißen bezeichnete Verfahren erzeugt poren- und rissfreie Schichten mit hoher Oberflächenqualität, außergewöhnlicher Haltbarkeit und langer Lebensdauer. Damit lassen sich die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit von Bauteilen deutlich verbessern. Eine weitere Besonderheit von Laser Cladding ist, dass es das Fügen von Materialpaarungen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften ermöglicht.
Was ist Laser Cladding?
Laserauftragschweißen zählt zu den additiven Fertigungsverfahren, bei dem durch einen Laserstrahl Material auf ein Werkstück aufgetragen wird. Dabei schmilzt der Laser das pulverförmige Zusatzmaterial und das Grundmaterial zu einer metallurgischen Verbindung auf. Es kommt dabei nur zu einem geringen Aufmischungsgrad zwischen Grundmaterial und eingebrachtem Zusatzmaterial, sodass die gewünschten Werkstoffeigenschaften erzielt werden.
Die Vorteile des Verfahrens sind umfassend:
- Verbesserte Materialeigenschaften: Laser Cladding generiert dichte, porenfreie Schichten, die eine hohe Haftfestigkeit zum Grundmaterial aufweisen. Die Korrosions- und Verschleißbeständigkeit von Bauteilen können damit signifikant verbessert werden. Auch Materialpaarungen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften lassen sich mit Laserauftragschweißen hochwertig und dauerhaft fügen.
- Hohe Präzision und gute Prozesskontrolle: Die Steuerung des Schmelzbades erfolgt beim Laser Cladding präzise. Damit sind exakte Schichtdicken und -platzierungen mit engen Toleranzen umsetzbar. Der Bedarf an Nachbearbeitung und der Materialabfall lassen sich damit minimieren. Zudem lassen sich dank der sehr gut kontrollierbaren Schichtbildung in gewissem Umfang Spaltmaße überbrücken. Durch die sehr präzise Arbeitsweise ist der Aufbau komplexer Geometrien und feiner Details problemlos möglich.
- Flexibilität und Vielseitigkeit: Die Vielfalt bearbeitbarer Materialien ist beeindruckend von Metallen über Legierungen bis hin zu Keramiken. Laser Cladding ist sowohl für Reparaturen und Modifikationen sowie für die Erzeugung neuer Bauteile einsetzbar. Dabei lassen sich sowohl feine als auch große Strukturen aufbauen. Sogar das Beschichten von Innenbohrungen ist möglich. Ähnlich zum 3D-Druck lassen sich vollständige Merkmale von Bauteilen hinzufügen aber auch komplette Teile erstellen.
- Geringer Wärmeeintrag: Da der Laserstrahl stark fokussiert ist, lässt sich der Wärmeeintrag in das Grundmaterial minimieren. Verformungen und thermische Schäden können vermieden oder zumindest stark reduziert werden. Damit lassen sich auch temperaturempfindliche Bauteile beschichten.
- Effizienz und Wirtschaftlichkeit: Laser Cladding ist ein schnelles Schweißverfahren, es können hohe Auftragsraten und kurze Bearbeitungszeiten realisiert werden. Teure Werkzeuge bzw. Bauteile lassen sich einfach und schnell reparieren.
Die Anwendungen sind vielfältig, unter anderem:
- Aufbringen von Verschleißschutzschichten
- Reparatur von beschädigten Bauteilen
- Herstellung von Prototypen und Kleinserien
- Additive Fertigung von komplexen Geometrien
Viele Industriezweige nutzen das bewährte und flexible Verfahren, beispielsweise:
- Werkzeug- und Formenbau
- Automobilindustrie
- Luft- und Raumfahrt
- Medizintechnik
- Energietechnik
Vergleich zu anderen Verfahren
Verglichen mit konventionellen galvanischen Verfahren ist Laserauftragschweißen kostengünstiger, weil weniger energieintensiv. Da kein giftiges Chrom (VI) entsteht, ist Laser Cladding eine umweltfreundliche Alternative zum Hartverchromen. Verglichen mit dem thermischen Spritzen überzeugt das Verfahren durch einen sehr hohen Pulverwirkungsgrad. Es bleibt also mehr Material tatsächlich auf der Oberfläche haften. Damit kann der Ressourcenverbrauch reduziert und Materialkosten eingespart werden.
Wie funktioniert Laser Cladding?
Das moderne Verfahren kommt in der Fertigungsindustrie für die Verbesserung von Oberflächen oder die Reparatur beschädigter Teile zum Einsatz und funktioniert folgendermaßen:
- Laserstrahl: Der stark fokussierte Laserstrahl erhitzt das Grundmaterial und das Zusatzmaterial in einem kleinen Bereich und bringt beide Materialien zum Schmelzen. Dazu wird das pulverförmige Ausgangsmaterial mithilfe eines inerten Trägergases koaxial zur Laserstrahlung in die Prozesszone geführt.
- Zusatzmaterial: Abhängig von den gewünschten Eigenschaften wird das Zusatzmaterial ausgewählt und dann in Form von Metallpulver oder -draht präzise in das Schmelzbad eingeführt.
- Schmelzbad: Das mit dem Laserstrahl erzeugte kleine Schmelzbad auf der Oberfläche des Grundmaterials kann sehr gut kontrolliert werden.
- Beschichtung: Sobald sich das Schmelzbad verfestigt, bildet es eine metallurgische Verbindung mit dem Grundmaterial aus, das sich durch Dauerhaftigkeit und hohe Festigkeit auszeichnet. Mithilfe der Bewegung des Laserstrahls lässt sich eine Beschichtung in gewünschter Dicke und Form erzeugen. Bei größeren Dicken wird nacheinander Schicht für Schicht aufgetragen.
Als Wärmequelle dient beim Laser Cladding ein Laser mit hoher Leistung, üblich sind Diodenlaser oder Faserlaser, seltener CO2- und Nd:YAG-Laser.
