Laserhärten: kaum Verzug und neue Möglichkeiten

| Redakteur: Anne Richter

Bremsscheiben für Mountainbikes: verzugsfrei härten nur da, wo die Bremsbeläge auftreffen. (Bild: Anne Richter)
Bildergalerie: 6 Bilder
Bremsscheiben für Mountainbikes: verzugsfrei härten nur da, wo die Bremsbeläge auftreffen. (Bild: Anne Richter)

>> Laserhärten bietet sich für ganz spezielle Anwendungen an – vor allem bei Bauteilen, die nur punktuell gehärtet werden müssen. Die Firma BR TEC Bühler AG aus Turbenthal ist einer der ersten kommerziellen Anwender des Laserhärteverfahrens und nutzt heute moderne Festkörperlaser, die viele neue Möglichkeiten beim Laserhärten von Metallen eröffnen. So können jetzt auch schräge Flächen und chromhaltige Stähle mit dieser Methode vergütet werden.

Um Stahl und andere kohlenstoffhaltige Metalllegierungen zu vergüten, werden verschiedene Härteverfahren angewendet. Meistens haben diese Verfahren den Nachteil, dass sich das Material durch den hohen Wärmeeintrag verzieht und die gehärteten Bauteile nachbearbeitet werden müssen. Kaum Verzug dagegen tritt beim Laserhärten auf. Dieses weniger bekannte Härteverfahren eignet sich zwar nur für bestimmte Anwendungen, Bauteilegeometrien und Werkstoffe, doch neue Lasersysteme eröffnen auch hier neue Möglichkeiten.

Komplexe Geometrien leicht bearbeitet

«Vor zehn Jahren konnte man vieles noch nicht mit dem Laser härten, was heute möglich ist», erklärt Jan Koop, Geschäftsführer von BR TEC Bühler AG aus Turbenthal. Das Unternehmen gehört zu den Pionieren der kommerziellen Anwendung des Laserhärtens in der Schweiz und besitzt mehr als 13 Jahre Erfahrung auf diesem Gebiet. Neu hat das Unternehmen in ein 5-Achs-Laserbearbeitungszentrum investiert, welches Mitte 2009 installiert wurde. Die Anlage verfügt über einen vier Meter langen Arbeitsbereich, die fünf Achsen sind frei beweglich im Raum von 4 x 2 x 1,5 Metern. Zudem können Werkstücke mittels einer Zusatzdrehachse bewegt werden. Es lassen sich sowohl grossvolumige Bauteile als auch kleine Einzelteile mit der Anlage bearbeiten. Auch komplizierte Bauteile mit Vertiefungen, Bohrungen, Rillen oder Nuten lassen sich mit der 5-Achs-Technik problemlos bearbeiten. Neben dem Laserhärten wird die multifunktionale Anlage auch zum Laserauftragsschweissen eingesetzt. Neben dieser Anlage ist noch eine automatisierte Laserhärteanlage für grosse Serien von Kleinteilen bei BR TEC Bühler in Betrieb.

Weniger Reflexion aufgrund günstiger Lichtwellenlänge

Die verwendeten Festkörper-Diodenlaser eröffnen neue Möglichkeiten in der Bearbeitung. Aufgrund der günstigen Lichtwellenlänge koppelt der Laserstrahl grundsätzlich besser ein als beim sonst üblichen Kohlendioxidlaser. Dadurch können Materialien und Oberflächen bearbeitet werden, die bis anhin als nicht bearbeitbar galten. Chromhaltige Stähle reflektieren beispielsweise CO2-Laserstrahlen, auch schräge Oberflächen und Innenflächen von runden Bauteilen sind mit einem CO2-Laser nur schwer zu bearbeiten. Mit dem Festkörperlaser können solche Materialien und Geometrien sehr gut bearbeitet werden. Auch müssen metallische und reflektierende Oberflächen vor der Bearbeitung nicht mehr mit Grafit behandelt werden, um eine Reflexion des Laserstrahls zu verhindern. Dar Laser lässt sich einfach durch ein flexibles Glasfaserkabel führen – was eine problemlose 5-Achs-Bearbeitung ermöglicht. Ausserdem ist der Wirkungsgrad des Festkörperlasers mit rund 30 Prozent wesentlich höher als der des CO2-Lasers, wo er bei rund zehn Prozent liegt.

Zusätzlich kann beim Festkörperlaser die Anlage mit einer Schutzgasvorrichtung ausgestattet werden. Der Vorteil liegt darin, dass dabei keine Oxidation, bzw. Verzunderung der Metalloberfläche des Bauteils stattfinden kann. Die Umgebungsluft, die für eine Oxidation notwendigen Sauerstoff enthält, wird während des Bearbeitungsprozesses durch Edelgas verdrängt und es findet keine Reaktion statt. Die Oberfläche bleibt metallisch blank und bei fertig bearbeiteten Werkstücken entfällt eine aufwändige Nachbearbeitung.

Richtiges Verhältnis: Laserhärten ohne Verzug

Der grosse Vorteil beim Laserhärten liegt darin, dass kaum Verzug auftritt und der Härteprozess so eingestellt werden kann, dass keine weitere Nachbearbeitung des Bauteils mehr nötig ist. Allerdings müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein. Neben einem Mindestanteil von 0,4 Prozent Kohlenstoff im Material muss beim Laserhärten das Verhältnis von zu härtendem Material und Gesamtmaterial passen. Im Allgemeinen sollte das Verhältnis zu härtendes Material auf Gesamtmaterial bei mindestens 1:10 liegen. Das bedeutet, dass bei einem Millimeter tief gehärtetem Material die Gesamtdicke mindestens zehn Millimeter betragen Sollte. «Wenn zu viel gehärtet werden muss, dann ist das Bauteil zum Laserhärten nicht mehr geeignet», fasst Jan Koop zusammen. Denn beim Laserhärten wird die Oberfläche durch den Laserstrahl sehr schnell aufgeheizt, in einer Zehntelsekunde 1000 Grad, und die eingetragene Wärme wird in das kalte Umgebungsmaterial abgeleitet. Dieser als Selbstabschreckung bekannte Prozess funktioniert bei zu wenig Grundmaterial nicht mehr, eine zusätzliche Abschreckung mit Öl oder Wasser wird notwendig, was wiederum zu Verzug führt. Die Vorteile des Laserhärtens sind dann nicht mehr im gleichen Umfang gegeben. Aus denselben Gründen muss beim Laserhärten auch eine bestimmte Prozessgeschwindigkeit eingehalten werden, in der Regel liegt die Geschwindigkeit zwischen 100 und 500 mm/min.

Material bedingt Einhärtetiefe

Festkörperlaser ermöglichen wesentliche Verbesserungen beim Laserhärten. Trotzdem ist das Ergebnis, respektive die Einhärtetiefe, immer noch vom Ausgangsmaterial abhängig.

So liegt die Einhärtetiefe bei niedriglegierten Stählen (1.2842 oder 1.2510) mit bis zu zwei Millimeter doppelt so tief wie bei hochlegierten Stählen mit hohem Chrom-Anteil (1.2379), wo die Einhärtetiefe oft nur einen Millimeter beträgt.

Gesamtprozess entscheidet über Nutzen

Insgesamt lassen sich Werkstücke mit dem Laser gezielter, schneller und kontrollierter härten. In Sachen Genauigkeit, Steuerbarkeit und Zugänglichkeit ist das Laserhärten unübertroffen. Allerdings ist das Verfahren selbst relativ teuer. Kostenersparnisse entstehen durch eingesparte Arbeitsschritte in der Vor- und vor allem der Nachbearbeitung. So konnte ein Hersteller eines Anschlagfutters für eine Drehbank durch den Einsatz des Laserhärtens seine Gesamtkosten signifikant senken. Bis anhin wurde das gesamte Futter einsatzgehärtet, was zu beträchtlichem Verzug und entsprechender Nachbearbeitung führte. Da aber nur 120 Punkte – die Anschlagpunkte – auf dem Futter gehärtet sein müssen, konnte mittels Laserhärten eine wesentliche Verbesserung erzielt werden. Heute wird das Bauteil im ungehärteten Zustand fertig bearbeitet und als letzter Arbeitsschritt mit dem Laser gehärtet.

«Letztendlich muss man den Gesamtprozess betrachten, nicht nur das reine Härten», erklärt Jan Koop. Ganze Fertigungsabläufe können so optimiert und vereinfacht werden und sollten möglichst schon bei der Konstruktion der Bauteile mit beachtet werden. «Es ist wichtig, nur so viel zu härten wie zwingend nötig, der Prozess geht somit schneller und der Verzug ist geringer», erläutert Jan Koop und ergänzt: «Es lohnt sich auf jeden Fall, sich schon bei der Konstruktion eines Bauteiles Gedanken zu machen, wo gehärtet werden muss.»

Projekt: Laserauftrags- schweissen

Relativ neu für das Unternehmen ist das Laser-Pulverauftragsschweissen. Hier können Härte und Eigenschaften des aufgeschweissten Materials genau auf die Beanspruchung abgestimmt werden. Laut Jan Koop befindet sich BR TEC Bühler AG noch in der Projekt-Entwicklungsphase: «Einige Anwendungen gehen zwar schon perfekt, aber es gibt noch viel Potential.» Mit dem frühen Einstieg in die Lasertechnik beim Härten und jetzt auch beim Auftragsschweissen ist BR TEC Bühler AG immer wieder ein Risiko eingegangen. Da sich selten ganz genau vorhersagen lässt, wie ein Material oder Bauteil reagiert, und nur Erfahrungswerte hinzugezogen werden können, ist Jan Koop überzeugt: «Um gute Erfolge zu erzielen, brauchen wir Kunden, die bereit sind, auch einmal etwas zu versuchen. Beim Härten wie auch beim Laserauftragsschweissen kommt man nicht darum herum, auch mal ein Risiko einzugehen.» <<

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Der Kommentar wird durch einen Redakteur geprüft und in Kürze freigeschaltet.

Anonym mitdiskutieren oder einloggen Anmelden

Avatar
Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 26776480 / Blechbearbeitung)