Bei einer Wartung eines Fahrwerks bauen Fachleute Komponenten aus, reinigen, prüfen und vermessen sie. Kleinere Schäden schleifen sie aus, solange die Reparaturgrenzen dies erlauben. Bei zu großem Materialverlust bleibt häufig nur der Austausch. Das verursacht Kosten, verlängert Standzeiten und bindet Ressourcen.
Üblicherweise schützt Hartchrom die Funktionsflächen vor Verschleiß und Korrosion. Strengere Anforderungen an Umwelt- und Arbeitsschutz erhöhen jedoch den Bedarf an Alternativen. Bei beschädigten Bereichen reicht Schutz allein nicht aus: Hier zählt eine zweite Fähigkeit, nämlich verlorenes Material gezielt wieder aufzubauen, ohne die Eigenschaften des hochfesten Grundwerkstoffs zu beeinträchtigen.
Klassische Schweißverfahren eignen sich dafür nur bedingt. Zu viel Wärme verändert bei hochfesten Luftfahrtstählen das Gefüge, beeinflusst die mechanischen Eigenschaften und kann durch Verzug zu geometrischen Abweichungen führen. Besonders kritisch ist die Wärmeeinflusszone. Eine geeignete Reparaturtechnologie muss deshalb zwei Anforderungen zugleich erfüllen: Sie erzeugt eine sichere metallische Verbindung und begrenzt den Wärmeeintrag.
LEGATO entwickelt eine neue Reparaturkette
An dieser Herausforderung setzt das Forschungsprojekt LEGATO an. Das Gesamtvorhaben untersucht verschiedene Aspekte künftiger Fahrwerke und bündelt dafür Kompetenzen aus Forschung und Industrie. In einem Teilvorhaben entwickelt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT eine laserbasierte Reparaturkette für hochbelastete Fahrwerkskomponenten.
»Im Mittelpunkt unserer Forschung stehen drei Schritte«, verrät Kim Julia Kallies, Projektleiterin am Fraunhofer ILT. »Material lokal wieder aufbauen, die Randzone mechanisch einstellen und die erzeugte Schicht zuverlässig prüfen.«
Die Liebherr-Aerospace in Lindenberg bringt als Industriepartner Anforderungen aus Fertigung, Wartung und Instandhaltung ein: reale Bauteile und Schadensbilder ebenso wie Vorgaben zu Werkstoffen, Härte, Oberflächenqualität und geringem Wärmeeintrag. Der assoziierte Partner Hegenscheidt-MFD unterstützt das Teilvorhaben mit Erfahrung in Rollier- und Festwalzprozessen.
»Für uns zählt am Ende nicht nur, ob eine Schicht im Labor funktioniert«, erklärt Harald Betsch von Liebherr-Aerospace. Er ist Senior Expert Thermal Spraying/Welding im Bereich Materials and Processes. »Entscheidend ist, ob der Prozess zu realen, belasteten Fahrwerkskomponenten, ihren Werkstoffen, Schadensbildern und Reparaturgrenzen passt. Genau diese Anforderungen bringen wir aus Entwicklung, Fertigung und Instandhaltung in LEGATO ein.«
Den Materialauftrag übernimmt EHLA, eine Hochgeschwindigkeitsvariante des Laser Metal Deposition (LMD). Ein Laser schmilzt metallisches Pulver auf und trägt es lokal auf die Bauteiloberfläche auf. Die hohe Prozessgeschwindigkeit und der vergleichsweise geringe Wärmeeintrag machen EHLA besonders interessant für wärmeempfindliche und hochfeste Werkstoffe.
Kim Kallies und ihre Forschungsgruppe untersuchen im Projekt mehrere Werkstoffkombinationen aus der Anwendung. 300M repariert das Team mit artgleichem Material. Für korrosionsbeständige Schichten prüft es unter anderem einen martensitischen Edelstahl, einen speziell für EHLA entwickelten Werkstoff. Auch 15-5PH, ein hochfester, korrosionsbeständiger Stahl für Fahrwerksstrukturen, gehört zu den untersuchten Werkstoffen.
Eine Besonderheit von EHLA führt zum nächsten Schritt: Die Prozessgeschwindigkeiten liegen deutlich näher an mechanischen Bearbeitungsverfahren als beim konventionellen LMD. Dadurch koppelt das Team den Materialauftrag direkt mit einem mechanischen Bearbeitungsschritt. Genau diesen Ansatz verfolgt SCaRB.
EHLA und Rollieren in einem Prozess
SCaRB steht für Simultaneous Coating and Roller Burnishing. Der Ansatz verbindet den EHLA-Materialauftrag mit einem direkt nachlaufenden Rollierprozess. Während der Laser metallisches Pulver auf die Bauteiloberfläche aufträgt, folgt das Rollierwerkzeug mit definiertem Abstand und bearbeitet die frisch erzeugte Schicht noch während des Beschichtungsprozesses.
Die hohe Prozessgeschwindigkeit von EHLA schafft dafür die Grundlage: Materialauftrag und Rollieren laufen in einem gemeinsamen Prozessablauf. Das Team spannt das Bauteil zwischen Beschichten und mechanischer Bearbeitung nicht neu ein, spart Rüstzeit und nutzt den kurzen zeitlichen Abstand zwischen beiden Prozessschritten.
SCaRB nutzt nicht nur die Geschwindigkeit des EHLA-Prozesses, sondern auch dessen Restwärme. Die frisch aufgetragene Schicht ist kurz nach dem Materialauftrag noch warm und verformt sich dadurch leichter plastisch. Der Abstand zwischen Laser und Rollierwerkzeug bestimmt, wie warm und verformbar die Schicht beim Rollieren noch ist. Damit steuert dieser Abstand Oberfläche, Härte und Eigenspannungen mit.
Für die Umsetzung entwickelte Hegenscheidt-MFD ein Rollierwerkzeug, welches das Fraunhofer ILT in die Maschinenumgebung integrierte. Über die Zustellung des Werkzeugs stellt das Team die Rollierkraft ein. Mit wechselbaren Rollen passt es Rollenradius und Rollenhärte an die jeweilige Anwendung an.
»Für uns ist entscheidend, dass wir die EHLA-Schicht nicht erst nachträglich bearbeiten, sondern den warmen Zustand direkt im Prozess nutzen«, erklärt die Projektleiterin. »Das Rollieren glättet die Oberfläche, beeinflusst aber zugleich Härte und Eigenspannungen. Damit macht SCaRB aus dem Materialauftrag einen Prozess, mit dem wir die Reparaturstelle gezielt funktional einstellen können.«
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
