Laserauftragschweißen verschlissener Zylinderlöcher

Laserauftragschweißenist eine bewährte Technologie zur Wartung oder Optimierung von Motorkomponenten und aufgrund ihrer zuverlässigen Wiederholbarkeit, der geringen thermischen Elementbelastung und der kostengünstigen mechanischen Modifikation eine unverzichtbare Technologie. Mit iClad® gibt es nun ein neues Gerät auf dem Markt, mit dem sich Innenkonturen oder Sacklöcher in einem Ausmaß verkleiden lassen, wie es mit herkömmlichen Bearbeitungsköpfen nicht möglich ist. Diese Mikrobearbeitung eignet sich für die Verkleidung von Löchern mit einem Durchmesser von nur 26 mm und Bearbeitungstiefen von bis zu 500 mm. Jetzt hat sein Hersteller Pallas (Würselen) den iClad erstmals mit einem Rotationsbearbeitungskopf ausgestattet, mit dem sich verschlissene Zylinderlöcher in Diesellokomotiven reparieren lassen. Mit Rotationsfunktionen ausgestattete Maschinen bieten ein unübertroffenes Anwendungspotenzial für die Reparatur von Innenkonturen nicht rotationssymmetrischer offener Bauteile mit exzentrischen Bohrungen ab 50 mm Durchmesser und Bearbeitungstiefen bis zu 500 mm.

Der belgische Laserspezialist Laser Coating Diamond Technology (LaserCo DT) mit Sitz in Strpy-Bracquegnies, Belgien, schützt Metalle durch Laserauftragschweißen und Diamantbeschichtungen vor Verschleiß. Ein belgischer Eisenbahnbetreiber beauftragte das Unternehmen mit der Reparatur verschlissener Zylinderlöcher mittels Laserauftragschweißtechnik an den Umkehrpunkten der oberen und unteren Kolben. Hugues Desmecht, Geschäftsführer des Unternehmens, beauftragte das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) in Aachen mit der Durchführung einer Machbarkeitsstudie. Im Zusammenhang mit dieser Forschung arbeitete ILT eng mit Pallas (www.pallaskg.de) zusammen, das zuvor iClad entwickelt hatte und das System nun vermarktet. In dieser Studie wurde ICLAD-basiertes Laserschmelzen verwendet, um zwei der sechs beschädigten Zylinderlöcher zu reparieren.

Die Kosten für den Austausch des Motors betragen etwa 20 $000. Angesichts des hohen Geld- und Zeitaufwands beim Transport gilt das Laserauftragschweißen als zeit- und kosteneffizientere Alternative. Für ausreichend große Öffnungen, beispielsweise 100 mm Durchmesser oder größer, sind auf dem Markt verschiedene herkömmliche Bearbeitungsköpfe erhältlich, die die Bearbeitung von Außen- oder Innenprofilen ermöglichen. Mit der Einführung des kleinen rotierenden iClad-Kopfes ist er nun zu einer zuverlässigen neuen Technologie zur Reparatur beschädigter Zylinderlöcher geworden, was mit früheren Standard-Bearbeitungsköpfen nicht möglich war. LaserCo DT und der belgische Bahnbetreiber haben daher hohe Erwartungen an die von ILT durchgeführte Machbarkeitsstudie.

Jeder iClad-Kopf besteht aus drei Modulen: Pulverzufuhranschluss, Körper und Faserstecker. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bearbeitungsköpfen arbeiten iClad-Bearbeitungsköpfe und Komponenten nur wenige Millimeter voneinander entfernt. Bei Standard-Bearbeitungsköpfen beträgt dieser Abstand 20 mm. Je nach Bearbeitungspunkt kann der Laserstrahl in einem Winkel von 30° oder 90° austreten. Sacklöcher können problemlos mit einem 30-Winkelbearbeitungskopf beschichtet werden, da der Arbeitspunkt des Lasers vor dem Bearbeitungskopf liegt. Wenn Durchgangslöcher beschichtet werden müssen, wird ein 90-Winkel-Bearbeitungskopf verwendet. Der schmale Innendrehbearbeitungskopf verfügt über eine zusätzliche Funktionalität, da er seitlich oder von oben in das Loch für die Verkleidung eingeführt werden kann – bis zu einer Tiefe von 500 mm. Das Hauptkriterium für industrielle Anwendungen ist die Dauerwärmebelastbarkeit des Bearbeitungskopfes. Die effiziente Wasserkühlung verhindert eine Überhitzung der Präzisionsbauteile. Das interne Schutzsystem des Bearbeitungskopfes verhindert, dass dieser durch die Ablagerung von Pulverpartikeln verunreinigt oder beschädigt wird. Darüber hinaus ist der Strahlengang, den der Laserstrahl durchläuft, ständig mit Schutzgasen gefüllt.

Neue Bearbeitungsköpfe mit Rotationsfunktion werden zur Sanierung von Zylinderlöchern in Dieselmotoren eingesetzt. Die Integration eines Drehmitnehmers in den Bearbeitungskopf ermöglicht die Reparatur von exzentrischen Löchern in statischen Anbauteilen. Selbst bei horizontalem Einsetzen gewährleistet der Bearbeitungskopf einen gleichmäßigen Pulverauftrag, ohne seinen Drehwinkel zu verändern. Bei dieser speziellen Anwendung wird der rotierende Kopf jedoch über ein fünfachsiges Gestängesystem vertikal in die Zylinderbohrung eingesetzt. Einer der Hauptstreitpunkte beim Rotationskopf ist, dass es aufgrund des Eigengewichts des Bearbeitungskopfes unmöglich ist, einen Dieselmotor mit einem Gewicht von bis zu 700 kg durch einen feststehenden Bearbeitungskopf zu drehen. Exzentrische Löcher erzeugen eine große Unwucht, wodurch es sehr schwierig ist, die erforderliche Bearbeitungsgenauigkeit zu gewährleisten. Die individuelle Zentrierung jedes Zylinders ist aufgrund der damit verbundenen hohen Kostenfaktoren eine weniger praktikable Option.

Der Bohrungsdurchmesser des Zylinderinnendurchmessers beträgt 178 mm; Der zu beschichtende untere Bereich ist ca. 340 mm tief und besteht aus einem ca. 60 mm hohen Ring. Herkömmliche Bearbeitungsköpfe sind nur für lochnahe Winkel geeignet, da sich die Düse an der Spitze des Bearbeitungskopfes befindet. Obwohl der Durchmesser des Lochs 180 mm erreicht, können diese Bearbeitungsköpfe daher nur bis zu einer maximalen Tiefe von etwa 40 mm bearbeitet werden. Im Gegensatz dazu kann der rotierende iClad-Kopf vertikal in die Zylinderbohrung eingeführt werden und die gesamte Innenfläche im 90-Grad-Winkel bearbeiten. Die entscheidenden Parameter des rotierenden iClad-Modells lassen sich in drei Aspekten zusammenfassen: Neben der Drehbarkeit und dem schmalen Bearbeitungskopf ist auch die maximale Bearbeitungstiefe von 500 mm ein entscheidender Faktor.

Die Innenschicht des Zylinders zwischen der oberen und unteren Bruchstelle ist abgenutzt und mit einer Beschichtung von mehr als 1 mm Dicke bedeckt. Dies wird als Edelstahllegierungsbeschichtung bezeichnet, um nicht nur die erforderliche Verschleißfestigkeit, sondern auch eine gute Korrosionsbeständigkeit in sauren und alkalischen Umgebungen zu gewährleisten. Die Zähigkeit des ausgewählten Legierungsmaterials verhindert die Bildung von Rissen, weist aber auch eine gute Bearbeitbarkeit und eine minimale Porosität der Oberflächenbeschichtung auf. Zunächst werden die Verschleißlöcher der LaserCo DT-Kunden auf Maß bearbeitet, um Verschleiß und Risse zu entfernen und eine glatte Oberfläche für die anschließende Laserauftragsbeschichtung zu schaffen.

Am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik werden Motorblöcke auf Stahlstützen platziert, ausgerichtet und richtig eingestellt. Dr. Andreas Weisheit und sein Team entwickelten zusammen mit Stephan Kalawrytinos von Pallas den Innenrotationsbearbeitungskopf. In der unteren Position kann die Oberfläche der Zylinderbohrung im beschädigten Ringbereich bearbeitet werden. Mit einem 5-Achsen-Gestängesystem werden zwei Schichten mit zwei überlappenden Drehbewegungen aufgetragen, um die gewünschte Schichtdicke von 1 mm zu erreichen. Für diesen Prozess wurde ein numerisches Steuerungsprogramm entwickelt. Beginnend an der Unterkante in einer Tiefe von ca. 300 mm bedeckt die Beschichtung spiralförmig die Oberfläche.

Herr Weisheit war mit den Testergebnissen sehr zufrieden. „Dies beweist zweifelsohne, dass das Laserauftragschweißen bei der Reparatur von Zylinderlöchern technisch machbar und kostengünstig ist, ohne dass Ersatzteile gekauft werden müssen“, sagte er. Mit dem rotierenden Innenprofilbearbeitungskopf iClad entsteht eine Beschichtung mit hervorragender Oberflächenqualität.“ Seiner Meinung nach hat der laufende Motor seine Industrietauglichkeit unter Beweis gestellt. Auch nach mehreren Stunden Dauereinsatz bleibt seine Arbeitsfähigkeit absolut zuverlässig. Der vollständige Erfolg dieses Tests liefert bahnbrechende Beweise für die Reparatur bzw. Instandsetzung von Maschinenteilen, die bisher unerreichbar waren.