Hochkohlenstoffhaltige Werkzeugstähle gehören aufgrund ihrer hohen Härte und ausgeprägten Verschleißbeständigkeit zu den bevorzugten Werkstoffen für stark beanspruchte Bauteile wie beispielsweise Oberflächen von Umformwerkzeugen. Doch gerade diese Vorteile erschweren in vielen Fällen die effiziente laserbasierte Beschichtung. Mit dem ZIM-Projekt „Hochdurchsatzbeschichten von Werkzeugstählen unter Vermeidung von Defekten durch Steuerung der Abkühlbedingungen“ (StraHoBe) widmen sich das blz und der Projektpartner ERLAS Erlanger Lasertechnik GmbH einer zentralen Herausforderung: Wie lassen sich Auftragsraten erhöhen und Defekte gleichzeitig minimieren?
Ausgangspunkt – Anspruchsvolle Werkstoffe treffen auf thermische Grenzen
Werkzeugstähle bieten zwar ideale mechanische Eigenschaften, reagieren jedoch empfindlich auf thermische Belastungen. Wird der Werkstoff im
Laserpulverauftragschweißen (LMD) verarbeitet, können Poren, Risse und instabile Schmelzbäder entstehen. Diese Materialreaktionen erfordern ein tiefes Verständnis der Materialanalyse unter Laserbedingungen sowie eine präzise Kontrolle der Energieeinbringung.
Zielsetzung des Projekts
StraHoBe verfolgt das Ziel, durch gezielte Strahlformung ein Prozessfenster zu erschließen, das:
- höhere Auftragsraten ermöglicht,
- die Schmelzbadstabilität verbessert und
- Defekte signifikant reduziert.
Hierzu wird der Einfluss verschiedener rotationssymmetrischer Strahlprofile – darunter Bessel- und Ringprofile – systematisch untersucht.
Vorgehen – Von der Basischarakterisierung zur optimierten Prozessführung
Zu Beginn wurde der Top-Hat-Strahl als Referenzprozess analysiert, um Auftragsrate, Defektverhalten und thermische Reaktionen des Materials detailliert zu erfassen. Diese werkstoffoptischen Prüfungen lieferten zentrale Erkenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen Strahlprofil und Material.
Erweiterung durch Strahlformung
Anschließend wurden dynamisch erzeugte Strahlprofile eingesetzt, um die Abkühlbedingungen und den Energieeintrag im Schmelzbad gezielt zu steuern. Dieser Schritt ist entscheidend, um Materialeigenschaften im laufenden Prozess aktiv zu beeinflussen und die Grenzen bisheriger Verfahren zur Beeinflussung von Materialeigenschaften zu verschieben.
Ergebnisse der werkstoffoptischen Untersuchungen
Mehr Effizienz, weniger Defekte
Die bisherigen Resultate zeigen deutliche Fortschritte:
- Aufbauraten von nahezu 400 g/h konnten bei gleichzeitig geringer Defektbildung erreicht werden.
- Stabilere Schmelzbäder führten zu weniger Poren und Rissen.
- Besonders Bessel- und Ringprofile erwiesen sich als wirkungsvoll bei der Defektminimierung.
- Sowohl Einzelspuren als auch mehrlagige Strukturen profitierten von der angepassten Strahlformung.
Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung gezielter Werkstoffprüfung mit optischen Verfahren, um komplexe Materialprozesse besser steuerbar zu machen.
Ausblick – Potenzial für industrielle Hochdurchsatzprozesse
In der kommenden Projektphase werden die Intensitätsverteilungen weiter optimiert, Spurüberlappungen angepasst und der Energieeintrag verfeinert. Ziel ist es, die Effizienz des Beschichtungsprozesses weiter zu steigern und einen robusten Ansatz für industrielle Anwendungen bereitzustellen.
Morgen geht es im Adventskalender weiter – mit neuen Einblicken in die Forschung, die das blz prägt und die Zukunft laserbasierter Anwendungen gestaltet.
Die Abbildung zeigt die Härte der Proben entlang der Aufbaurichtung (links) und ihr Verhalten im Druckversuch (rechts).
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