Laser Cladding

Einleitung

Kürzlich hatten wir die spannende Gelegenheit, unser WLDR-Prozessüberwachungs-System in Zusammenarbeit mit einem der führenden Laserhersteller der Branche, der Laserline GmbH, an deren Standort in Mülheim-Kärlich, Deutschland, zu testen. Unser Fokus lag auf zwei Hauptzielen: 1) die Leistungsfähigkeit von Weldmetrix bei der Fehlererkennung im Laser-Cladding-Prozess unter Beweis zu stellen und 2) die uneingeschränkte Kompatibilität unserer Hardware mit den Optikeinheiten von Laserline zu verifizieren.

In unserem speziellen Fall ging es darum, Verschleißteile wie Bremsscheiben mit einem höherwertigen Material zu beschichten. Warum? Durch die Verwendung eines härteren Materials wird die Menge an Feinstaub, die beim Bremsen in Form von Bremsabrieb freigesetzt wird, deutlich reduziert – ein entscheidender Faktor, um die europäischen Normen zu erfüllen.

Laser Cladding

Laser Cladding, auch Laserauftragschweißen genannt, ist eine innovative Oberflächentechnologie, die in verschiedenen Industriezweigen zunehmend an Bedeutung gewinnt. Mit Hilfe eines Laserstrahls wird ein Beschichtungsmaterial auf ein Grundmaterial aufgebracht. Dadurch entsteht eine verschleiß- und korrosionsbeständige Oberfläche, die die Lebensdauer von Maschinenkomponenten deutlich verlängert.

Die Anwendungsgebiete sind vielfältig: von der Luft- und Raumfahrt über die Automobilindustrie bis hin zur Medizintechnik. In der Öl- und Gasindustrie werden beispielsweise Bohrrohre und Pumpenwellen mit Laser Cladding behandelt, um die Lebensdauer zu erhöhen und die Betriebskosten zu senken. Auch in der Schwerindustrie, etwa bei der Herstellung von Walzen für Stahlwerke, bietet das Verfahren erhebliche Vorteile.

Trotz seiner Vielseitigkeit ist das Laserauftragschweißen ein komplexer Prozess, der von zahlreichen Faktoren beeinflusst wird, wie z. B. der Wahl des Auftragsmaterials, den Laserparametern und der Auftragsgeschwindigkeit. Daher muss dieser Bereich durch spezielle Prozessoptimierung und -überwachung sorgfältig gesteuert werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Einflussfaktoren

Die Qualität und Effizienz des Laserauftragschweißens hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, die sorgfältig überwacht und gesteuert werden müssen. Einer der wichtigsten Faktoren sind die Laserparameter, insbesondere die Laserleistung und die Strahlführung. Eine zu hohe oder zu niedrige Leistung kann zu Defekten wie Rissen, Poren oder ungleichmäßiger Materialverteilung führen.

Auch die Applikationsgeschwindigkeit spielt eine wichtige Rolle; zu hohe oder zu niedrige Geschwindigkeiten können die Haftung des Materials auf dem Grundwerkstoff beeinträchtigen. Auch die Temperatur des Grundwerkstoffes und die Umgebungsbedingungen, wie z.B. die Schutzgasatmosphäre, sind von Bedeutung.

Zusammenfassung des Tests

Die Überwachung des Laser-Cladding-Prozesses ist ein komplexes Unterfangen, bei dem eine Vielzahl von Parametern berücksichtigt werden muss. Weldmetrix hat in einer Versuchsreihe verschiedene Szenarien durchgespielt, um die Einflussfaktoren besser zu verstehen. Die Auswertung der Messdaten zeigt, dass Faktoren wie die Laserleistung, die Drehrichtung des Werkstücks und die Menge des zugeführten Schutzgases entscheidend sind. So führten beispielsweise eine falsche Drehrichtung oder eine zu hohe Laserleistung zu suboptimalen Ergebnissen (NIO).

Ein weiterer kritischer Punkt ist die Pulverzufuhr. In den Versuchen wurde beobachtet, dass eine Veränderung der Pulvermenge oder ein Pulsieren des Pulvers das Signal und damit das Endergebnis beeinflussen kann. Auch der Zustand des Bauteils vor dem Prozess, wie z.B. Rostbildung, kann einen Einfluss haben, der jedoch in den Versuchen von Weldmetrix nicht signifikant war.

Die Auswertung der Messdaten in Echtzeit ist daher ein wichtiges Instrument zur Überwachung des Prozesses. Durch den Vergleich der aktuellen Daten mit einer IO-Referenz (In O.K.) können Abweichungen frühzeitig erkannt und korrigiert werden. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Prozessoptimierung und stellt sicher, dass die Qualität der behandelten Bauteile den Anforderungen entspricht.

Weldmetrix nutzt modernste Sensortechnologie und Softwarealgorithmen, um diese Überwachung in Echtzeit zu ermöglichen. Dadurch können auch kurzfristige Veränderungen, wie z.B. das Schließen eines Injektors oder Änderungen im Gasfluss, sofort erkannt und korrigiert werden.

Prozessüberwachung

weldmetrix setzt auf eine Kombination aus modernster Sensortechnologie und Softwarealgorithmen, um den Laser-Cladding-Prozess in Echtzeit zu überwachen. Durch die kontinuierliche Erfassung und Auswertung von Messdaten können Abweichungen im Prozess frühzeitig erkannt werden. Dies ermöglicht sofortige Korrekturen, sei es bei der Laserleistung, der Drehrichtung des Werkstücks oder der Pulver- und Gaszufuhr.

In der Versuchsreihe von Weldmetrix wurde beispielsweise festgestellt, dass Veränderungen der Pulvermenge oder des Gasflusses das Endergebnis beeinflussen können. Durch die Echtzeitüberwachung können solche Parameter sofort angepasst werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Funktionsprinzip – das vergleichende System

Ein zentrales Element der Überwachungsstrategie von Weldmetrix ist das so genannte “ vergleichende System „. In diesem Zusammenhang bedeutet dies, dass die aktuellen Prozessdaten mit einem vorgegebenen Idealmodell oder einer IO-Referenz (In Ordnung) verglichen werden.

Dieser Vergleich ermöglicht eine noch genauere Regelung des Laserauftragschweißprozesses. Weichen die aktuellen Daten von der Referenz ab, wird dies als Signal für eine notwendige Anpassung der Prozessparameter gewertet. Das Vergleichssystem ist somit ein mächtiges Werkzeug zur Qualitätskontrolle und Prozessoptimierung, da es eine kontinuierliche Anpassung und Verbesserung ermöglicht.

Ein vergleichendes System bietet gegenüber einem rein messenden System entscheidende Vorteile bei der Prozessüberwachung und -optimierung. Während ein messendes System lediglich Daten erfasst und darstellt, ermöglicht ein vergleichendes System den direkten Vergleich der aktuellen Prozessdaten mit einer vorgegebenen Referenz oder einem Idealmodell. Dadurch können Abweichungen sofort erkannt und der Prozess in Echtzeit angepasst werden.

Dadurch wird nicht nur die Qualität der Endprodukte verbessert, sondern auch die Effizienz des gesamten Prozesses gesteigert. Darüber hinaus ermöglicht das Benchmarking-System eine kontinuierliche Verbesserung durch die ständige Aktualisierung der Referenzdaten anhand der neuesten Ergebnisse. Dies führt zu einer höheren Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an veränderte Produktionsbedingungen oder Materialien.

Fazit

Die Ergebnisse unserer Tests waren sehr vielversprechend und stellen einen wichtigen Schritt auf unserem Weg dar. Es ist wichtig zu betonen, dass wir unseres Wissens die Ersten sind, die diesen Prozess mit einem Photodiodensystem überwachen.

Mit einer Abtastrate von 1.000.000 Messungen pro Sekunde ist der WLDR-Sensor der leistungsfähigste auf dem Markt. Laut Laserline liefern photodiodenbasierte Systeme überlegene Ergebnisse, was unser Vertrauen in unseren Ansatz bestätigt. Unser Testbericht zeigt den anfänglichen Aufbau, die IO-Referenzen und die identifizierten und sogar absichtlich herbeigeführten Fehler.

Wir sind bereit, diese Erkenntnisse öffentlich zu teilen, um zu einem gemeinsamen Verständnis und Fortschritt in diesem spannenden Bereich beizutragen. Innovation ist eine Reise, und wir freuen uns, den Weg für die Entwicklung effizienter photodiodenbasierter Überwachungssysteme für das Laserauftragschweißen zu ebnen.