Lasertechnik in der Produktion 04.09.2019, 06:49 Uhr

Neues Beschichtungsverfahren für Bremsscheiben entwickelt

Robuster und haltbarer sollen Bremsscheiben sein, die mit extremem Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen beschichtet werden. Der geringere Verschleiß könnte zudem Vorteile für die Umwelt mit sich bringen.

Laser beschichtet Bremsscheibe

Eine Bremsscheibe wird mit dem EHLA-Verfahren beschichtet und soll dadurch langsamer verschleißen.

Foto: Fraunhofer ILT, Aachen / Volker Lannert

Gas geben und wieder abbremsen – jeder Autofahrer weiß, dass Bremsscheiben extrem stark beansprucht werden und zu den Verschleißteilen gehören, die in relativ kurzen Abständen ausgetauscht werden müssen. Was vielen nicht bewusst ist: Der hohe Abrieb setzt Feinstaub frei und belastet die Umwelt. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT und der RWTH Aachen haben nun gemeinsam einen Weg gefunden, das Herstellungsverfahren für Bremsscheiben zu verändern und damit die Eigenschaften der Bauteile zu verbessern. Dafür nutzen sie ein spezielles Laserverfahren.

Bislang gab es keine optimalen Schutzschichten für Gusseisen

Der grundlegende Werkstoff für herkömmliche Bremsscheiben ist Gusseisen mit eingelagertem Graphit. Dieses Material ist nicht nur günstig, sondern kann gleichzeitig gut Wärme speichern und die Temperatur leiten. Beides ist für ein optimales Bremsverhalten wichtig. Gusseisen hat im Alltag aber auch große Nachteile. Denn es kommt schnell zu einer Korrosion, und der Abrieb im normalen Betrieb ist hoch. Die Lösung könnte eine schützende Beschichtung sein, doch die bekannten Prozesse – zum Beispiel galvanotechnische Verfahren oder thermisches Spritzen – haben nicht die gewünschten Ergebnisse gebracht. Materialaufwand und Kosten sind in der Regel zu hoch, während gleichzeitig die Schutzschichten keine ausreichende Verbindung mit dem Gusseisen eingehen. Das soll sich durch das „Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen“ (Ehla) ändern.

Pulver wird direkt im Laserstrahl geschmolzen

Wie der Name schon sagt, ist das etablierte Laserauftragschweißen die Basis. Dabei werden, vereinfacht gesagt, die Partikel des Beschichtungsmaterials durch den Laser auf der Oberfläche des Bauteils geschmolzen. Das passiert im Schmelzbad. Damit ist auch schon einer der wesentlichen Unterschiede zum Ehla-Verfahren genannt. Denn bei der neuen Technik schmilzt das Pulver der Beschichtung direkt im Laserstrahl. Es gelangen also flüssige Materialtropfen in das Schmelzbad und keine Pulverpartikel, was ein schnelleres Verarbeitungstempo erlaubt. Nach Angaben der Wissenschaftler ist die Prozessgeschwindigkeit 250 Mal bis 1.000 Mal so hoch.

Dank der erheblich schnelleren Prozessgeschwindigkeit ist das Grundmaterial der Hitze des Lasers deutlich kürzer ausgesetzt, was neue Materialkombinationen ermöglicht – unter anderem die Beschichtung von Aluminium- oder Gusseisenlegierungen wie bei Bremsscheiben. Je nach Anwendungsgebiet – das Ehla-Verfahren ist natürlich nicht ausschließlich für Bremsscheiben geeignet – könnten besonders umweltfreundliche Materialien eingesetzt werden. Emissionen des Abriebs wären daher gegebenenfalls unproblematischer.

Gleichzeitig löst sich der Kohlenstoff aus der Bremsscheibe nicht so leicht in der Schmelze. Genau das führt bei herkömmlichen Auftragschweißverfahren zu Poren und Rissen in der Beschichtung oder in der Anbindungszone. Mit Ehla sei die Oberfläche reiner und glatter. Im Vergleich zur herkömmlichen Technik liege die Rauheit bei etwa einem Zehntel, verkünden die Forscher. Im Ergebnis verspricht die Beschichtung laut den Wissenschaftlern einen effizienteren Schutz, der zudem haltbarer sei und dementsprechend auch die Lebensdauer der Bremsscheiben erhöhe.

Verfahren schont Ressourcen und spart Kosten

Zur Effizienz soll neben der robusten und haltbaren Beschichtung auch der Materialeinsatz beitragen. Denn mit den üblichen Auftragschweißverfahren lassen sich nur Schichten herstellen, die mindestens einen halben Millimeter dick sind. Das führt zu einem großen Materialeinsatz und einer aufwendigen Nachbearbeitung. Mit dem Ehla-Verfahren ist es den Forschern gelungen, sehr dünne Schichten von 25 bis 250 Mikrometer aufzutragen. Gleichzeitig würden mehr als 90 % des Materials genutzt. Das erhöhe die Wirtschaftlichkeit zusätzlich.

Im nächsten Schritt wird in Aachen eine Anlage aufgebaut, die eine serienmäßige Bearbeitung der Bremsscheiben ermöglichen soll. Ziel ist natürlich die industrielle Fertigung. Zunächst stellen die Wissenschaftler ihr Ehla-Verfahren vom 10. bis zum 13. September auf der Internationalen Automobil-Ausstellung in Frankfurt vor.

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