Fortschrittliche Schaden-Behebung

(¿jk) Bei Strömungsprofilen, wie Leitschaufeln etwa von Flugturbinen, wird das ja schon länger gemacht ¿ aber bei diesen Konturen ist es auch einfacher: nämlich schadhafte Stellen mittels automatisiertem Laser-Auftragsschweißen und anschließendem Glätten durch 3D-Fräsen wieder in Form zu bringen. Im Formenbau ist das schon schwieriger ¿ aber genauso nötig. Und deshalb hat das Zentrum Fertigungstechnik Stuttgart ein Verbund-Forschungsprojekt initiiert (und jetzt abgeschlossen), durch das gemeinsam mit Industrie-Partnern eben diese Aufgabe sehr viel versprechend gelöst wurde.

Bislang läuft das ja so: zeigt beispielsweise eine Spritzguss- oder Press-Form durch ihren Dauereinsatz Abweichungen von der Ursprungs-Kontur, die nicht mehr tolerierbar sind, dann wird zumeist mittels WIG- oder MIG- oder Plasma-Auftragsschweißen (noch recht selten via Laser-Beschichten) mehr oder minder großzügig für den nötigen Material-Nachschub gesorgt, um anschließend im besten Fall die Soll-Kontur durch NC-Fräsen wieder herzustellen. So weit so schlecht ¿ denn speziell das händisch geführte   Beschichten bedingt für ein gutes Ergebnis viel Können, das ebenso viel Aufmerksamkeit wie Erfahrung voraussetzt, zumal sich ja jeder Verschleiß vom andren unterscheidet. Und so differenziert
Dipl.-Phys. Jens Walter, beim ZFS Gruppenleiter Strahlwerkzeuge: ¿Die qualitativen Unterschiede beim manuellen Auftrag sind doch evident, und die thermisch intensiven Verfahren bergen zudem die Gefahr, Gefüge-Veränderungen zu generieren und so die Standzeit der reparierten Form-Werkzeuge zu reduzieren, und schon deshalb ist das Laser-Beschichten wohl zu präferieren.¿
Reinhard Pötzl stimmt dem zu ¿ als technischer Leiter der Eifeler Lasertechnik GmbH aus Ingersheim bestätigt er: ¿Der Wärme-Eintrag bei den bislang bevorzugten Verfahren ist ein Problem ¿ der Laser-Beschichtung geben wir deshalb eindeutig den Vorzug, zumal sich mit ihr ungleich feinere Beschichtungs-Zeilen auftragen lassen¿, und ergänzt fordernd: ¿Allerdings muss der Auftrags-Prozess unbedingt automatisiert werden, und deshalb haben wir dieses Verbund-Forschungsprojekt ja ausdrücklich befürwortet, das sich ja eben diese Automation zum Ziel gesetzt hat¿, um zu begründen: ¿Denn erstens schlägt sich beim manuellen Beschichten bei uns der hohe Lohn-Anteil so stark in den Kosten nieder, dass diese Aufgabe mehr und mehr sonst wohin ausgelagert wird, und zweitens versprechen wir uns von einer automatisierten Laser-Beschichtung auch eine vor allem gleichmäßigere Qualität auf insgesamt höherem Niveau.¿ Der Mann muss es wissen ¿ denn schließlich gilt die Eifeler Lasertechnik unter anderem als einer der großen Dienstleister im Beschichtungs-Geschäft und verspricht sich von ihm stetig steigende Umsätze: ¿Das ist ein zweifellos wachsender Markt¿, weiß Pötzl.
Nun ¿ wie das Laser-Beschichten von (Form-)Werkzeugen zu automatisieren wäre, war Jens Walter vom ZFS natürlich schnell klar: ¿Über ein Scanning ist die beschädigte Ist-Kontur festzustellen und mit den ja bekannten CAD-Soll-Daten zu vergleichen, um so zu einem geometrisch in jeder Beziehung eindeutig definierten Differenz-Volumen zu kommen, das automatisch in Beschichtungs-Bahnen zu slicen ist, die dann gleichfalls automatisch präzis gesteuert die beschädigte Kontur durch Laser-Beschichtung ausfüllen; und danach ist dann lediglich die möglichst leichte Überhöhung durch 3D-Fräsen Sollkontur-getreu zu glätten.¿ Schön ¿ so weit die Theorie. Bis sie im ZFS-Labor hoffnungsvolle und glaubwürdige Praxis wurde, vergingen jedoch  immerhin zwei volle Forschungs-Jahre.
Und das ist auch mehr als verständlich ¿ denn die Schwierigkeiten für diese Automations-Aufgabe waren erheblich. Gewiss nicht beim präzisen Erfassen der beschädigten Ist-Kontur. Klärt Dr.Ing. Claus Bremer, Geschäftsführer der BCT Steuerungs- und DV-Systeme GmbH aus Dortmund: ¿Das ist für uns natürlich gängiges Tagesgeschäft und nichts Besonderes; in diesem Fall haben wir taktil mit einem Taster gescannt. Beim Slicen der Beschichtungs-Bahnen und beim Generieren des zugehörigen NC-Programms aber mussten wir natürlich zurückgreifen auf die Untersuchungen des ZFS für die jeweils optimale Beschichtungs-Strategie¿, und vergleicht: ¿Sie ist so entscheidend für ein gutes Ergebnis wie etwa die richtige Fräs-Strategie beim Bearbeiten von 3D-Konturen.¿ Da also wird schon ein wenig klar, welche Basisarbeit das FZS zuvor schon leisten musste, um überhaupt weiterzukommen¿
¿denn die wirklichen Hürden taten sich ja erst mit dem Beschichten selbst auf ¿ denn wenn es je automatisch ablaufen soll, ist ja da kein Auge, das den Prozess beobachtet und keine Hand, die korrigierend eingreift: da muss also (wie auch immer) Sensorik her. ¿Natürlich keine die Geometrie direkt erfassende ¿ das geht bei einem thermischen Prozess wie dem Laser-Beschichten einfach nicht¿, ernüchtert Dr.-Ing. Bert Schürmann, Leiter Forschung & Entwicklung der Precitec KG aus Gaggenau, die bei dem Verbundprojekt von den industriellen Partnern die wohl ebenso reizvollste wie auch schwierigste Aufgabe zu lösen hatte ¿ nämlich die Auslegung des Beschichtungs-Kopfs mitsamt der auf der Detektion der Prozess-Strahlung basierenden Sensorik zur Prozess-Regelung.
Beschwichtigt Schürmann: ¿Also ganz viel konnten wir ableiten von unserem Kopf zum Tief-Schweißen ¿ er ließ sich für das Laser-Beschichten gut modifizieren: und das gilt sowohl für die Material-Zuführung wie für das indirekte Erfassen der Prozess-Parameter.¿ So braucht es zum Beschichten in erster Linie eine andere Düse als beim Schweißen ¿ sie gewährleistet eine koaxiale Pulver-Zufuhr, damit in jeder Vorschub- (sprich Beschichtungs-)Richtung ohne Unterbrechung gelasert werden kann und in jedem Fall gleiche Ergebnisse erzielt werden.
Bei der Entwicklung des automatisierten Laser-Beschichtens zum Wiederherstellen von 3D-Formen war für das ZFS und die be-teiligten Industrie-Partner unbedingte Praxis-Tauglichkeit entscheidend wich-tig. Fordert Schürmann: ¿Auch ein Anwender mit wenig Erfahrung im Beschichten sollte in der Lage sein,
den Kopf schnell und sicher an seiner Anlage zu betreiben¿, und stellt zufrieden fest: ¿Das Ziel haben wir erreicht ¿ denn Laser- und Pulverstrahl sind in nur wenigen Minuten für die jeweilige Aufgabe justiert.¿ Mit andren Worten: zeitaufwändige Versuchsreihen zu fahren, erübrigt sich.
Doch da sich während des Beschichtens die Auftrags-Verhältnisse durch die aufgebauten Schichten ständig ändern, muss der Prozess (natürlich) kontrolliert und geregelt werden, damit gleichmäßig hohe Qualität gewährleistet ist ¿ und dazu waren Abhängigkeiten zu ermitteln, um so über (indirekte) Sensorik Parameter zu erfassen und Einstellungen zu korrigieren. Gesteht Walter: ¿Das ist ein recht komplexer Prozess ¿ aber wir haben ihn jetzt praxisgerecht im Griff.¿ Dazu war es nötig, in den Kopf sowohl Sensoren für die Prozess-Kontrolle als auch zum Überwachen der optischen Komponenten zu integrieren.
Das gilt vor allem für die Temperatur- und die Höhen-Regelung. Kommt es doch namentlich beim Aufbau schmaler Konturen (etwa von Wänden) zum Wärme-Stau, weil sich bei konstanter (Laser-)Leistung mit jeder Spurlage die Temperatur des Schmelzbads erhöht. Veranschaulicht Walter: ¿Um einen sauberen Spur-Aufbau zu gewährleisten, ist es also nötig, analog zur Temperatur-Steigerung die Laser-Leistung zurückzunehmen.¿ Ähnliches gilt für die Spurhöhe ¿ sie lässt sich indirekt über das Rückflex-Signal erfassen und beeinflussen, das seinerseits eine Funktion der gefahrenen Laser-Geschwindigkeit ist. Resümiert und verspricht Schürmann: ¿So können wir sowohl den Beschichtungs-Prozess stabil führen als auch die Beschichtungs-Qualität gleichmäßig auf hohem Niveau halten.¿
Für Anwender wie Reinhard Pötzl von der Eifeler Lasertechnik GmbH ist eben das ja entscheidend: ¿Erst diese beiden Merkmale stabiler Prozess-Führung und gleich bleibend hoher Qualität erschließen uns ja das automatisierte Laser-Beschichten zur Reparatur beschädigter Formen und damit ein schnell wachsendes Geschäftsfeld ¿ deshalb freuen wir uns über das Ergebnis dieses Landes-Forschungsprojekts sehr und haben uns ja auch zusammen mit anderen Industriellen daran beteiligt.¿
Bedauerlich nur, dass das Zentrum Fertigungstechnik Stuttgart zum 2004er-Jahresende mangels finanzieller Landesmittel geschlossen wird ¿ aber Jens Walter als Gruppenleiter Strahlwerkzeuge macht sich in diesem seinem Metier selbständig und führt die Arbeiten also weiter. Wenn Sie also Bedarf haben an detaillierten Informationen und individueller Beratung, können Sie ihn auch nach dem 1.1.05 unter dieser eMail-Anschrift kontaktieren: jens.walter@riwalas.de (und sein StartUp firmiert dann unter RiWaLas).