Laserdirektplattieren: Schneller zu dicken Schichten bei geringerem Energieeinsatz

Ein neues laserbasiertes Beschichtungsverfahren verspricht einen deutlichen Produktivitätssprung bei rotationssymmetrischen Bauteilen. Das sogenannte Laserdirektplattieren reduziert Taktzeiten, Energiebedarf und Nacharbeit signifikant und eröffnet neue Spielräume für funktionale Schichtsysteme.

Dicke metallische Beschichtungen gelten in vielen Branchen als notwendiges Übel. Ob Hydraulikzylinder, Walzen oder Gleitlager: Der Schutz vor Verschleiss und Korrosion ist unverzichtbar, doch klassische Verfahren wie das Laserauftragschweissen sind energieintensiv und zeitaufwendig. Genau hier setzt das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS an.

Mit dem neu entwickelten Laserdirektplattieren gelingt es den Forschenden, Beschichtungen deutlich effizienter aufzubringen. Statt Material grossflächig aufzuschmelzen, verbindet der Prozess ein bandförmiges Metall gezielt und lokal mit dem Grundkörper. Das Resultat ist eine dichte, gleichmässige Schicht bei gleichzeitig reduziertem Energieeinsatz.

Funktionsprinzip: Weniger Schmelze, mehr Kontrolle

Im Zentrum des Verfahrens steht ein scheinbar einfacher, aber wirkungsvoller Mechanismus. Ein Metallband wird spiralförmig um ein rotationssymmetrisches Bauteil gewickelt und währenddessen per Laser lokal aktiviert. In Kombination mit einer definierten Umformkraft entsteht eine stoffschlüssige Verbindung.

Der entscheidende Unterschied zu etablierten Verfahren liegt im thermischen Regime.

«Die schmelzflüssige Phase versuchen wir zu minimieren oder sogar zu vermeiden», erklärt Marko Seifert, Abteilungsleiter am Fraunhofer IWS. «Wir aktivieren die Kontaktzone mit sehr wenig Energie und erreichen dadurch dichte, gleichmässige Beschichtungen bei deutlich geringerer Prozesszeit.»

Weil der Prozess weitgehend im festen Zustand bleibt, reduziert sich nicht nur der Energiebedarf. Auch das Gefüge des Grundmaterials bleibt erhalten, was die Bauteilqualität stabilisiert.

Produktivitätsschub in der Praxis

Die Auswirkungen auf die industrielle Fertigung sind erheblich. Bandgeschwindigkeiten im Meter-pro-Minute-Bereich ermöglichen hohe Auftragsraten bis in den dreistelligen Kilogramm-pro-Stunde-Bereich. Gleichzeitig bleibt die Wärmeeinflusszone auf ein Minimum begrenzt.

Ein konkretes Beispiel aus der Industrie zeigt das Potenzial: Die Beschichtungszeit eines Hydraulikzylinders konnte von rund 20 Stunden auf etwa 6 Stunden reduziert werden. Parallel dazu sank der Energiebedarf je nach Prozessauslegung um bis zu 90 Prozent. Hinzu kommt eine deutlich reduzierte Nachbearbeitung. Die erzeugte Oberfläche weist eine homogene, walzähnliche Struktur auf, wodurch Schleifen, Polieren oder Abdrehen kürzer ausfallen.

Mehrlagen, mehr Funktion: Neue Freiheitsgrade im Design

Das Laserdirektplattieren eröffnet zudem neue Möglichkeiten in der Werkstoffgestaltung. Typische Einzellagen bewegen sich im Bereich von ein bis drei Millimetern, während mehrlagige Systeme mehrere Zentimeter erreichen können.

Besonders relevant ist der gezielte Mehrlagenaufbau. Ab der zweiten Lage verbinden sich gleichartige Werkstoffe miteinander, wodurch unerwünschte Aufmischungen minimiert werden. Gleichzeitig lassen sich unterschiedliche Materialien kombinieren, um multifunktionale Schichten zu erzeugen.

Auch entlang der Bauteillänge können gezielt Volumen und Geometrie angepasst werden. Das erlaubt funktionale Profilierungen, etwa für lokal verstärkten Verschleissschutz.

Einsatzfelder: Von der Neufertigung bis zur Instandhaltung

Die Technologie adressiert sowohl die Produktion als auch die Reparatur. Typische Anwendungen sind:

• Hydraulikzylinder mit hohen Anforderungen an Korrosions- und Verschleissschutz
• Prozess- und Umformwalzen
• Gleitlager
• Regeneration verschlissener Komponenten durch gezielten Materialauftrag

Gerade in der Instandhaltung zeigt sich ein wirtschaftlicher Vorteil. Fehlendes Material wird nur dort ergänzt, wo es tatsächlich benötigt wird. Das spart Ressourcen und verkürzt Stillstandszeiten.

Integration in bestehende Fertigungslinien

Ein weiterer Vorteil liegt in der Systemintegration. Da das Verfahren ohne Pulverhandling auskommt, reduziert sich der Aufwand für Peripherie und Arbeitsschutz. Die Anlage kapselt den Prozess vollständig und orientiert sich an etablierten Laser- und Schweissschutzkonzepten.

Das erleichtert die Integration in bestehende Produktionsumgebungen und senkt die Investitionskosten. Gleichzeitig sorgt ein robustes Prozessfenster für reproduzierbare Qualität, auch bei grossen Bauteilen.

Von der Pilotanlage zur Serie

Das Fraunhofer IWS hat das Verfahren bereits zum Patent angemeldet und eine Pilotanlage für Bauteile bis zu zwei Metern Länge aufgebaut. Aktuell arbeiten die Forschenden gemeinsam mit Industriepartnern an der Skalierung und an belastbaren Prozessparametern für den Serieneinsatz.

Ziel ist eine klare Auslegung hinsichtlich Taktzeit, Qualität und Wirtschaftlichkeit, um den Transfer in die industrielle Praxis zu beschleunigen.

Fazit: Effizienzsprung mit strategischem Potenzial

Laserdirektplattieren verschiebt die Grenzen der metallischen Beschichtung. Weil der Prozess Energieeintrag, Materialeinsatz und Nachbearbeitung gleichzeitig reduziert, entsteht ein klarer wirtschaftlicher Vorteil. Gleichzeitig erweitern sich die Möglichkeiten für funktionale Schichtsysteme.

Damit adressiert die Technologie zentrale Herausforderungen moderner Fertigung: steigende Effizienzanforderungen, Ressourcenschonung und flexible Prozessintegration. Ob und wie schnell sich das Verfahren in der Breite durchsetzt, hängt nun vom erfolgreichen Transfer in industrielle Serienprozesse ab.