Herkömmliche Bremsscheiben bestehen aus Gusseisen mit eingelagertem Graphit. Zwar haben sie einige Vorteile. Dazu gehören eine gute Temperaturleitfähigkeit sowie ein gutes Wärmespeichervermögen. Zudem sind sie einigermaßen günstig. Doch ihr Nachteil ist: Sie neigen zu starker Korrosion sowie hohem Materialverschleiß im Betrieb. Und genau dieses führt zu beträchtlichen Feinstaubemissionen und einer immensen Umweltbelastung.

Das könnte sich bald ändern. Denn in einem Gemeinschaftsprojekt des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT sowie dem Lehrstuhl Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen University entwickelten Wissenschaftler ein spezielles Beschichtungsverfahren, das diese Faktoren erheblich reduziert. Matthias Brucki, M.SC vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT erlört die Hintergründe:

„Bauteile vor Verschleiß und Korrosion zu schützen, ist keine einfache Angelegenheit. Die üblichen Verfahren, wie das Hartverchromen und das thermische Spritzen, warten mit Nachteilen auf. Das Laserauftragschweißen konnte sich bislang in diesem Bereich nur vereinzelt durchsetzen. Dadurch lassen sich die treibenden Kräfte beschreiben, die den Bedarf nach einer breit anwendbaren Lösung weckten. Mit dem extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen EHLA haben wir nun ein alternatives, patentgeschütztes Verfahren entwickelt, das die Defizite der herkömmlichen Verfahren in den Bereichen der Beschichtungstechnik und Reparatur beseitigt.“

Bei dem sogenannten Extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (EHLA) werden erstmals schnell und wirtschaftlich Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten auf die Bremsscheiben aufgebracht. Dazu Thomas Schopphoven, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Teamleiter »Produktivität und Systemtechnik« in der Gruppe Laserauftragschweißen am Fraunhofer ILT:

„Das EHLA-Verfahren eignet sich besonders für die Automobilindustrie – z. B. für die Beschichtung von Bremsscheiben, die bisher wegen der großen Belastungen und hohen Anforderungen an Wirtschaftlichkeit sowie Umweltfreundlichkeit nur schwierig beschichtet werden konnten. Durch EHLA lassen sich erstmalig gut haftende Schichten auf Bremsscheiben auftragen, die fest mit dem Grundstoff verbunden, im Gegensatz zu den mit herkömmlichen Verfahren erzeugten Schichten, nicht abplatzen können.“

Während die Schichten herkömmlicher Verfahren Poren und Risse aufweisen, sind die mit dem EHLA-Verfahren erzeugten Schichten dicht. Somit schützen sie das Bauteil wesentlich effizienter und langfristiger. Dies erhöht die Lebensdauer und verhindert frühzeitige Ausfälle durch Oberflächenschäden der Reibflächen. Brucki betont:

„Die Entwicklung der Beschichtungen auf Bremsscheiben hat unter ökologischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten den Verschleiß- und Korrosionsschutz zum Ziel. Mit EHLA können hochqualitative, poren- und rissfreie Schichten mit metallurgischer Anbindung und geringer Aufmischung aus einer großen Werkstoffpalette hergestellt werden. Dabei sollten die Funktionseigenschaften der Bremsscheibe durch die Beschichtung nicht reduziert werden.“

Da mit dem Verfahren eine große Materialpalette verarbeitet werden kann, wird eine anwendungsangepasste Beschichtung mit umweltfreundlichen Materialien möglich.

Neue Prozessführung bringt Vorteile

Die Innovation von EHLA basiert auf dem schon bekannten Laserauftragschweißen. Dieses wird zum Beispiel erfolgreich als Reparaturverfahren für Turbinenschaufeln eingesetzt. Doch EHLA bietet entscheidende Vorteile: Denn bei diesem Verfahren werden die Pulverpartikel des Beschichtungswerkstoffes direkt im Laserstrahl aufgeschmolzen. Bei herkömmlichen Verfahren geschieht dies erst im Schmelzbad auf der Oberfläche des Bauteils. Da durch EHLA flüssige Materialtropfen statt feste Pulverpartikel in das Schmelzbad gelangen, kann die Prozessgeschwindigkeit von bisher 0,5 bis 2 Metern pro Minute um mehrere Größenordnungen auf bis zu 500 Meter pro Minute gesteigert werden.

Die große Prozessgeschwindigkeit führt dazu, dass die Wärmeeinwirkung auf das zu beschichtende Material deutlich sinkt. Während beim herkömmlichen Laserauftragschweißen das Material bis in den Millimeterbereich thermisch beeinflusst wird, wird durch EHLA das Material nur im Mikrometerbereich thermisch beeinflusst. Dieses macht vollkommen neue Materialkombinationen möglich. Dazu gehören die Beschichtungen von Aluminium- oder Gusseisenlegierungen – wie nun bei den Bremsscheiben. Doch das ist nicht alles, wie Brucki anmerkt:

Durch tolerante Verfahrensbedingungen kann mit EHLA eine Vielzahl an Werkstoffen verarbeitet werden. Dem Anwender bietet sich damit ein breites Spektrum an Beschichtungswerkstoffen, die gegen Verschleiß und Korrosion eingesetzt werden können.

Beim herkömmlichen Auftragschweißverfahren löst sich der Kohlenstoff aus der Bremsscheibe in der Schmelze. Dadurch entstehen spröde Phasen, Poren, Bindefehler und Risse in der Beschichtung bzw. der Anbindungszone. Beim EHLA wird dies durch das besondere Verfahren vermieden. So können Bremsscheiben aus Grauguss erstmalig effektiv mit stoffschlüssig angebundenen Schichten geschützt werden.

Ressourceneffizient und prozesssicher mit hoher Qualität

Noch ein weiterer Vorteil kommt hinzu. Beim Auftragschweißverfahren können nur dicke Schichten ab einem halben Millimeter hergestellt werden. Dies benötigt viel Material. Zudem ist die Nachbearbeitung sehr aufwändig. Durch das EHLA-Verfahren ist es nun möglich, sehr dünne Schichten mit Dicken von 25 bis 250 Mikrometern aufzutragen. Die Schicht wird reiner und glatter. So konnte die Rauheit auf etwa ein Zehntel bisheriger Werte reduziert werden. Außerdem werden beim neuen EHLA-Verfahren rund 90 Prozent des Materials genutzt. Dadurch ist das Verfahren extrem ressourcenschonend und wirtschaftlich. Die Voraussetzungen für den serienmäßigen, industriellen Einsatz sind damit gegeben.

Und dieser steht kurz bevor. Denn in ersten erfolgreichen Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass das EHLA-Verfahren die 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.

Doch Brucki sieht auch noch weitere Einsatzbereiche:

„Neben den großen Herausforderungen der Automobilindustrie, Beschichtungen auf Bremsscheiben mit großen Belastungen und Anforderungen herzustellen, sind Beschichtungen von Bauteilen der Offshore-Industrie mit höchsten Korrosions-und Verschleißbedingungen wie Hydraulikzylindern weitere Anwendungen für das EHLA-Verfahren. Über den Korrosions- und Verschleißschutz hinaus können mit EHLA Beschichtungen mit definierter Oberflächentopografie aufgetragen werden und dem Bauteil damit zusätzliche Funktionen verleihen.“

Und er ergänzt:

Auch über die Beschichtung hinaus bietet das EHLA-Verfahren vielversprechende Möglichkeiten, z. B. bei dem hybrid-additiven Ansatz zur Herstellung von Volumenelementen auf bereits vorhandenen, konventionell hergestellten Bauteilen. Bisherige Prozessketten sind meist von einem subtraktiven Vorgehen geprägt, bei dem häufig bis zu 90 Prozent des ursprünglichen Bauteils zerspant werden. EHLA kann hier Abhilfe schaffen: Die spanende Fertigung von Flanschen und Dichtsitzen aus einem Rohling auf einer Welle beispielsweise kann mehrere Stunden in Anspruch nehmen. Das gleiche Bauteil hybrid-additiv mit EHLA hergestellt dauert lediglich einige Minuten und die finale Nachbearbeitung durch Drehen ist ebenfalls nach wenigen Minuten abgeschlossen.“

Mehrfach ausgezeichnete Innovation

EHLA erhielt mittlerweile drei renommierte Innovationspreise: Das Verfahren wurde mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2017, den Berthold Leibinger Innovationspreis 2018 und als umweltfreundliche Laser-Alternative zur Chrom(VI)-Beschichtung mit dem 2. Preis des Stahl-Innovationspreises in der Kategorie »Stahl in Forschung und Entwicklung« ausgezeichnet.

Übrigens sind Details zum EHLA-Verfahren sowie weitere aktuelle Themen aus Forschung und Entwicklung vom 12. bis zum 22. September auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand C12 in Halle 4.1 auf der Internationalen Automobil-Ausstellung 2019 in Frankfurt zu erfahren. Weitere Informationen zum Verfahren gibt es hier.