Fertigung 12.02.1999, 17:20 Uhr

Laser-Auftragsschweißen läßt das Form-Werkzeug länger leben

Controlled Metal Buildup (CMB), das kombinierte Aufschmelzen und Planfräsen von Stahl, steigert nicht nur die Qualität bei der Reparatur teurer Werkzeuge. Dieses Laserschweißverfahren ermöglicht auch kleinere Geometrieänderungen, ohne daß gleich eine neue Form in der Werkstatt gebaut werden muß.

Jeder Metaller kennt diesen Spruch aus seiner Lehrzeit: „Lieber dreimal messen. Wird zuviel abgetrennt, ist das ganze Werkstück hinüber“. Noch dominiert der Gedanke, daß sich Material wohl problemlos abtragen, aber nicht auftragen läßt – insbesondere, wenn es um die harten Stähle von Formen, Gesenken und Matrizen geht. Zwar gibt es durch die Weiterentwicklung der Schweißtechnologie schon seit einigen Jahren die Möglichkeit, auf beschädigte Oberflächen schweißtechnisch wieder Material aufzutragen. Doch dies ist bisher mit soviel Aufwand, Kosten und Problemen verbunden, daß sich solche Verfahren nur in bestimmten Bereichen etablieren konnten.
Hier eröffnet das Controlled Metal Build-up-Verfahren (CMB) interessante Perspektiven. Im Gegensatz zu den bisher angewandten Schweißverfahren erzeugt es per Lasereinsatz hochwertige, fehlerfreie Schichten, ohne das darunterliegende Material zu beeinflussen. Deshalb dürfte es insbesondere im Stahlformenbau sowie für Matrizen und Gesenke im Umform- und Schmiedebereich breitere Anwendung finden.
„Das CMB-Verfahren ist neu, die Maschinen gibt es erst seit Dezember 1998“, erläutert Horst Klein, Werkzeugmachermeister aus Velbert und Inhaber der gleichnamigen Firma, die hauptsächlich CNC-Arbeiten im Lohnauftrag ausführt. Beim ersten Blick in die Anlage, die Horst Klein präsentiert, stutzt der Betrachter, denn vordergründig sieht das System wie ein normales Fräsbearbeitungszentrum aus: Es handelt sich um ein HSC-Frässystem des Herstellers Röders-Tec, das über ein zusätzliches Diodenlaser-Modul und eine Drahtvorschubeinheit verfügt. „Hier liegt der entscheidende Punkt, denn einer der Besonderheiten des CMB-Verfahrens ist der ständige Wechsel zwischen Auftragen und Planfräsen“, erläutert Horst Klein. Durch dieses Planen werden alle Unebenheiten sowie oberflächennahe Fehler der aufgeschweißten Schicht wieder abgetragen, so daß die Folgeschicht wieder unter definierten Ausgangsbedingungen aufgebracht werden kann. Dadurch wird der präzise Aufbau faktisch beliebiger Materialdicken ohne Porositäten oder Lunker möglich. Ein Wechselsystem ermöglicht den schnellen Austausch von Lasereinheit und Fräskopf und damit zügiges Arbeiten in einer Aufspannung.
Beim CMB-Verfahren wird die Werkstückoberfläche unter Schutzgas mitttels eines 1000 W-Diodenlasers in einer sehr dünnen Schicht kurzfristig aufgeschmolzen. Diesem Schmelzbad wird dann ein dünner Stahldraht zugeführt, so daß sich Material auftragen läßt. Durch die CNC-gesteuerte Fahrbewegung des aus Laser und Drahtvorschubeinheit bestehenden Schweißkopfs entsteht eine feine Schweißnaht. Der gewünschte, flächige Auftrag wird durch zahlreiche, dicht nebeneinander gelegte Schweißnähte erzeugt. „Nachdem wir mit dem Laser auf diese Weise etwa 0,7 mm an Material aufgetragen haben, nehmen wir mit dem Fräser wieder 0,3 mm bis 0,4 mm herunter, um Oberflächenfehler wie Blasen, Oxidhäute oder sonstige Verunreinigungen zu entfernen“, erläutert Horst Klein. Voraussetzung für die Entwicklung des Verfahrens sei die Verfügbarkeit ausreichend leistungsstarker Diodenlaser gewesen, die es erst seit kurzer Zeit gebe. Nur mit den 1000 W des neuen Systems schaffe man es, die Oberfläche auf die rund 2000 °C zu bringen, welche für zufriedenstellende Ergebnisse erforderlich sind.
„Für das Werkstück ist das Verfahren äußerst schonend, die Wärmeeinflußzone ist nur etwa 0,2 mm bis 0,3 mm dick“, freut sich Klein. Dadurch sei es möglich, vergütete Stahlwerkzeuge zu bearbeiten, ohne daß diese anschließend neu wärmebehandelt werden müßten. Aus diesem Grund sei das CMB-Verfahren dem herkömmlichen Auftragsschweißen vorzuziehen. „Selbst wenn man eine größere Schichtdicke mit dem CMB aufgebracht hat, ist das Werkstück nur handwarm, während es beim Auftragsschweißen glühendheiß wird – mit entsprechenden Konsequenzen für Materialeigenschaften und Maßhaltigkeit des Bauteils“, so der Firmenchef.
Für den Velberter Werkzeugmachermeister ist CMB auch gegenüber dem bereits praktizierten Laser-Auftragsschweißen von Hand überlegen. Beim manuellen Arbeiten seien Präzision und Gleichmäßigkeit, die er mit seiner neuen Anlage realisiere, gar nicht denkbar. Zudem sei die Produktivität weitaus höher als beim Handschweißen. Die Schichteigenschaften seien bei Handarbeit durch unvermeidliche Schwankungen der Arbeitshaltung oft recht ungleichmäßig, was zu unterschiedlichem Verschleißverhalten einzelner Bereiche führe. Zudem habe die Erfahrung gezeigt, daß Hand-Laserschweißungen häufig Fehlstellen enthielten.
Gegenwärtig arbeitet Horst Klein daran, Technologieparameter zu ermitteln und Einsatzmöglichkeiten für die Praxis auszuloten, denn „für ein solch neues Verfahren gibt es noch keine gesicherten Grundlagen die muß ich mir selbst erarbeiten“, hebt er hervor. So wisse man etwa nicht, wie sich die bereits bekannten Schweißdrahtwerkstoffe, die für andere Schweißverfahren angeboten werden, bei den speziellen Verfahrensparametern des CMB verhielten.

Kostspielige Werkzeuge können mehrfach verwendet werden

Er habe zum Beispiel festgestellt, daß Material, welches normalerweise nach dem Schweißen eine Härte von 34 HRC aufweise, durch die schnelle Abkühlung auf eine Härte von 54 HRC komme. Dies alles müsse erst noch in Versuchsreihen ermittelt werden. Inzwischen habe er auch schon erste Musteraufträge für seine Anlage erhalten.
Lohnende Einsatzmöglichkeiten sieht Klein auch bei Schneidwerkzeugen, deren Kanten er mit dem CMB-Verfahren auffüttern kann. Anschließend wird die ursprüngliche Schnittkantengeometrie durch mechanische Bearbeitung wieder hergestellt. Auf diese Weise können diese teuren Werkzeuge mehrfach verwendet werden.
„Besonders lohnend dürfte auch der Einsatz bei Preßstempeln mit halbkreisförmigen Kragen werden“, zeigt sich Horst Klein optimistisch. Diese Werkzeuge haben eine stirnseitig eingearbeitete, trapezförmige Nut mit sehr dünnen, scharfen und damit empfindlichen Lippen, die im Einsatz häufig ausbrechen. Um das Werkzeug wieder einsatzfähig zu machen, wird die Stirnkante zunächst ein Stück abgearbeitet, dann werden die seitlichen Lippen wieder durch elektroerosives Ausarbeiten einer Nut erzeugt. Das reparierte Werkzeug wird in der Maschine nachgesetzt und kann auf diese Weise wiederverwendet werden. Seine Gebrauchsfähigkeit endet erst, wenn der Kragen soweit abgearbeitet wurde, daß ein Nachsetzen nicht mehr möglich ist. Allerdings verliert die Führung des Kragens in der Gegenmatrize durch den Abtrag mehr und mehr an Abstützung, so daß die Präzision nachläßt und es schneller zu Ausbrüchen kommt.
„Mit Hilfe des CMB-Verfahrens wollen wir jetzt für dieses Werkzeug ein völlig neues Einsatzkonzept realisieren“, verrät H. Klein. Schon nach dem ersten Ausfall soll nicht mehr abgetragen, sondern aufgefüttert werden, um dann wieder die ursprüngliche Kontur herauszuarbeiten. Dadurch gewinne der Stempel eine praktisch unbegrenzte Haltbarkeit, und durch die stets optimale Präzision der Führung komme es auch wesentlich seltener zu Ausfällen. Dies wirke sich natürlich auch positiv auf die Produktivität der Anlage aus.
KLAUS VOLLRATH/Kip
Firmenchef Horst Klein: „Mit dem CMB-Verfahren wird der präzise Aufbau faktisch beliebiger Materialdicken möglich“. Flächige, aber auch gekrümmte Konturen können mit dem Controlled Metal Buildup schichtweise aufgebaut werden. Auf dem Werkstück sind die Stufungen der einzelnen Raupen und Schichten zu erkennen.

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