Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Schematische Darstellung einer laserbasierten Reparaturprozesskette und der prozessbegleitenden Informationslogistik in der Kreislaufwirtschaft.
Verbundprojekt »PRECIRC«
PRECIRC - Laserbasierte Reparaturprozesskette zur Steigerung der Ressourceneffizienz in der Kreislaufwirtschaft metallischer Präzisionsbauteile
Bauteile, die starkem Verschleiß und Korrosion ausgesetzt sind, versagen häufig aufgrund lokaler Oberflächenschäden. Der Ersatz ausgefallener Komponenten ist ressourcenintensiv und das Recycling metallischer Bauteile erfordert energieintensive Schmelzprozesse. Darüber hinaus führt der steigende Bedarf an immer knapper werdenden Rohstoffen zu einer wirtschaftlichen Abhängigkeit von Importländern und verursacht durch die im Herstellungsprozess entstehenden CO₂-Emissionen einen erheblichen ökologischen Fußabdruck. Einen nachhaltigen und ressourcenschonenden Lösungsansatz stellt die laserbasierte Reparatur solcher Komponenten dar, allerdings mangelt es derzeit an einer geeigneten Prozesskette, die sowohl den hohen Anforderungen an die Reparaturqualität als auch der einfachen Zugänglichkeit für KMU gerecht wird.
Im Forschungsvorhaben PRECIRC (KMU-innovativ, Förderkennzeichen 033RK108B) wird eine vollautomatisierte laserbasierte Prozesskette zur nachhaltigen Reparatur metallischer Präzisionsbauteile entwickelt. Durch die Kombination der EHLA-Technologie mit subtraktiver Vor- und Nachbearbeitung werden KMU befähigt, qualifizierte Reparaturen an großvolumigen Präzisionsbauteilen, wie Zylindern und Walzen, automatisiert durchzuführen. Verschlissene Bauteile, die bisher ressourcen- und energieintensiv eingeschmolzen und neugefertigt wurden, können durch PRECIRC repariert und in eine wesentlich effizientere Kreislaufwirtschaft überführt werden. PRECIRC steigert damit die Rohstoffproduktivität durch die Entwicklung neuer Wertschöpfungsketten und innovativer Recycling- sowie Verwertungsverfahren und löst damit rohstoffintensive Verfahrenstechniken zur Herstellung metallischer Bauteile ab.
Im Rahmen des Vorhabens werden additive und subtraktive Prozesse für den Reparaturvorgang inkl. Bahnplanung sowie eine Defekterfassung und prozessbegleitende Informationslogistik entwickelt.
Aufbau der Reparaturprozesskette
Im Mittelpunkt der Prozesskette steht eine Abfolge von subtraktiven und additiven Fertigungsprozessschritten. Zunächst erfolgt ein lokaler Materialabtrag in Form einer definierten Nutgeometrie an der Schadstelle des defekten Bauteils. Anschließend wird das Volumen im vorbearbeiteten Bereich mittels EHLA additiv aufgefüllt. Durch die anschließende zerspanende Bearbeitung wird die ursprüngliche Kontur des reparierten Bauteils wiederhergestellt.
Reparaturanwendungen entfalten das volle Potenzial von EHLA
Im Bereich der Oberflächenbeschichtungen ist das EHLA-Verfahren bereits industriell etabliert. EHLA zeichnet sich durch eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften aus, wodurch das Verfahren sich insbesondere zur Reparatur wärmeempfindlicher Komponenten eignet:
- Große Materialvielfalt
- Kleine Aufmischung und Wärmeeinflusszone auch bei der Bearbeitung von wärmeempfindlichen Komponenten (z.B. aus Vergütungsstählen)
- Schichtdicken zwischen 20 µm und 500 µm
- Schmelzmetallurgische Verbindung zwischen Beschichtungswerkstoff und Grundmaterial
- Pulverwirkungsgrad > 90 %
Automatisierung der Reparaturprozesskette
Die Automatisierung der Prozesskette wird durch den Einsatz unterschiedlicher Sensoren in Kombination mit einer benutzerfreundlichen Software erreicht, die dem Anwender eine intuitive Handhabung des Reparaturprozesses ermöglicht. Optische Sensoren dienen zur Charakterisierung der Bauteiloberfläche vor, während und nach der Reparatur. Ortsaufgelöste Bilddaten und Höhenprofile werden zur automatischen Fehlererkennung sowie zur adaptiven Bahnplanung von subtraktiven und additiven Prozessschritten genutzt.
Konzeptentwurf der Bearbeitungsschritte in einer laserbasierten Reparaturprozesskette für metallische Präzisionsteile.
Übergeordnete Zielsetzung
Das übergeordnete Ziel des Projektes PRECIRC besteht in der Entwicklung einer automatisierten laserbasierten Prozesskette zur nachhaltigen Reparatur metallischer Präzisionsbauteile. Im Mittelpunkt der Prozesskette steht eine Abfolge von subtraktiven und additiven Fertigungsprozessschritten (Abbildung). An der Schadenstelle des zu reparierenden Bauteils erfolgt zunächst ein lokaler Materialabtrag in Form einer definierten Nutgeometrie. Diese Nut wird anschließend unter Einsatz des Extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißens (EHLA) mit einem metallischen Zusatzwerkstoff additiv aufgefüllt. Durch eine nachgelagerte subtraktive Bearbeitung wird das reparierte Bauteil in die Endkontur gebracht.
Das Forschungsvorhaben startete im August 2023 und hat eine Laufzeit von 3 Jahren.
Die Partner
Fraunhofer ILT
Das Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT führt seit über 35 Jahren Projekte zur Lasermaterialbearbeitung durch. Seit Gründung im Jahr 1985 wird das Laserstrahl-Auftrag-schweißen für verschiedene Anwendungen (Reparatur, Korrosions-Verschleißschutz, additive Fertigung) entwickelt.
Richter GmbH & Co. KG
Seit 1971 ist Richter paper-technologies & paper-services auf den Maschinenbau zur Erzeugung von Verschleißteilen, sowie deren Reparatur und Regeneration spezialisiert. Neben der mechanischen Bearbeitung zählen Schweißen und thermisches Spritzen zu den Fertigungsmöglichkeiten.
LUNOVU GmbH
Die LUNOVU GmbH baut seit 2013 komplexe Lasersysteme und bietet integrierte Lösungen für Produktions- oder Entwicklungsaufgaben, vor allem im Bereich der additiven Fertigung und Beschichtung. Die Maschinen setzen sich aus leistungsfähigster Hardware, speziell entwickelter Steuerungssoftware und anwendungsspezifischem Laserprozesswissen zusammen.
MABRI.VISION GmbH
Seit 2015 entwickelt die MABRI.VISION GmbH optische Sensorik und integriert diese in Inline-Prüfanlagen u.a. für die Erkennung von Defekten. Sie verfügt über das Know-how in der Datenerfassung und Auswertung.
Center Connected Industry
Das Center Connected Industry als Organisationseinheit der EICe Aachen GmbH entwickelt seit 2016 innovative Lösungen und Informationssysteme. Besonderer Fokus liegt dabei auf kollaborative Innovationsprojekte mit internationalen Industriepartnern.
