Neues Beschichtungsverfahren schützt Bremsscheiben

Mit dem Extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (EHLA) können erstmals schnell und wirtschaftlich Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten auf Bremsscheiben aufgebracht werden. Entwicklt wurde das Beschichtungsverfahren vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT und der RWTH Aachen University.

Bremsscheiben bestehen normalerweise aus Gusseisen mit eingelagertem Graphit, das sich durch eine gute Temperaturleitfähigkeit und ein gutes Wärmespeichervermögen bei gleichzeitig geringem Preis auszeichnet. In Kauf genommen wird dabei eine starke Korrosionsneigung und hoher Materialverschleiß im Betrieb, der zu beträchtlichen Feinstaubemissionen führt. Übliche Beschichtungsprozesse – etwa galvanotechnische Verfahren oder thermisches Spritzen – können die Bremsscheiben bislang nicht effektiv schützen. Denn sie ermöglichen keine direkte Verbindung der Schutzschichten mit dem Gusseisen und sind zudem material- und kostenintensiv.

Ein neues Verfahren soll diese Nachteile nun aber vermeiden: das Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (EHLA), entwickelt vom Fraunhofer ILT in Aachen und dem Lehrstuhl Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen University.

Klassische Verfahren am Limit

Während die Schichten herkömmlicher Verfahren Poren und Risse aufweisen, sollen die mit dem EHLA-Verfahren erzeugten Schichten dicht sein und das Bauteil effizienter und langfristiger schützen als zuvor möglich. Dies erhöhe die Lebensdauer und verhindere frühzeitige Ausfälle durch Oberflächenschäden der Reibflächen, heißt es in einer Pressemeldung des Fraunhofer ILT. Da mit dem Verfahren eine große Materialpalette verarbeitet werden kann, wird eine an die jeweilige Anwendung angepasste Beschichtung mit umweltfreundlichen Materialien möglich.

Hohe Prozessgeschwindigkeit senkt Wärmeeintrag

Beim EHLA-Verfahren werden die Pulverpartikel des Beschichtungswerkstoffes direkt im Laserstrahl aufgeschmolzen und nicht erst im Schmelzbad auf der Oberfläche des Bauteils. Da so flüssige Materialtropfen statt feste Pulverpartikel in das Schmelzbad gelangen, kann die Prozessgeschwindigkeit von bisher 0,5 bis 2 Metern pro Minute beim herkömmlichen Laserauftragschweißen um mehrere Größenordnungen auf bis zu 500 Meter pro Minute gesteigert werden.

So sinkt die Wärmeeinwirkung auf das zu beschichtende Material deutlich. Statt wie beim herkömmlichen Laserauftragschweißen bis in den Millimeterbereich wird durch EHLA das Material nur im Mikrometerbereich thermisch beeinflusst. So werden vollkommen neue Materialkombinationen möglich: etwa die Beschichtungen von Aluminium- oder Gusseisenlegierungen – wie nun bei den Bremsscheiben.

Zudem wird so vermieden, dass sich der Kohlenstoff aus der Bremsscheibe in der Schmelze löst, wodurch sonst spröde Phasen, Poren, Bindefehler und Risse in der Beschichtung bzw. der Anbindungszone entstehen. Bremsscheiben aus Grauguss können stoffschlüssig, also mit direkt verbundenen Schichten geschützt werden.

Sehr dünne Schichten

Normalerweise können mit Auftragschweißverfahren nur dicke Schichten ab einem halben Millimeter hergestellt werden, wodurch viel Material eingesetzt werden muss und die Nachbearbeitung sehr aufwendig ist. Das EHLA-Verfahren ermöglicht es nun, sehr dünne Schichten mit Dicken von 25 bis 250 Mikrometern aufzutragen. Die Schicht wird reiner und glatter – die Rauheit konnte auf etwa ein Zehntel bisheriger Werte reduziert werden. Außerdem werden beim neuen EHLA-Verfahren rund 90 Prozent des Materials genutzt. Dadurch ist das Verfahren ressourcenschonender und wirtschaftlicher. Die Voraussetzungen für den serienmäßigen, industriellen Einsatz sind nach Angaben des Institutes damit gegeben.

Transfer in die industrielle Praxis

Erste erfolgreiche Untersuchungen beweisen, heißt es weiter, dass das EHLA-Verfahren mittlerweile die reproduzierbare Herstellung beschichteter Bremsscheiben auf der Basis konventioneller Grauguss-Scheiben mit unterschiedlichen Materialkombinationen ermöglicht. Eine serientaugliche Anlagentechnik mit angepasster Endbearbeitung durch Schleifen wird gerade in Aachen durch die Firma HPL Technologies aufgebaut.