Scanning-Laser bieten Potenzial für die Oberflächenhärtung von Stahlbauteilen

14. Februar 2017

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Lasergehärtetes Testteil mittels Scanoptik (Aitzol Lamikiz)

Forscher der UPV/EHU-Universität des Baskenlandes, Spanien, haben bekannt gegeben, dass sie den Einsatz von Scanoptiken für das Laserhärten validiert haben, was eine Anpassung des Prozesses an die Form des Teils ermöglicht.

Die High Performance Manufacturing-Gruppe des UPV/EHU hat die Untersuchung und Abstimmung einer innovativen Technologie zur Durchführung dieses Prozesses durchgeführt. Hierbei kommt ein Laser zum Einsatz, aber im Gegensatz zum herkömmlichen System kommt eine Scanoptik zum Einsatz, die eine große Anpassungsfähigkeit an die Dicke des zu behandelnden Teils ermöglicht.

Wenn die Härtung mit einer stark lokalisierten Wärmequelle, beispielsweise einem Laser, durchgeführt wird, kann nur die Oberfläche gehärtet werden, während der Kern der Teile in ihrem ursprünglichen Zustand verbleibt. „Die Teile sind nicht so spröde und da wenig Wärme eingebracht wird, verzieht sich das Teil nicht so sehr. Letztendlich verformt die Hitze das Teil und das bedeutet, dass es mit anderen Methoden nachbearbeitet werden muss“, erklärte Aitzol Lamikiz, Professor der UPV/EHU-Abteilung für Maschinenbau und Mitglied der High Performance Manufacturing-Gruppe, die die Forschung durchgeführt hat.

In der Industrie wird das Laserhärteverfahren seit etwa dem Jahr 2000 eingesetzt, allerdings weist es laut Lamikiz eine Einschränkung auf. „Der Laser überstreicht eine konstante Bandbreite, sodass die gehärtete Zone am Ende eine konstante Dicke aufweist.“ Um die Technologie flexibler zu gestalten, beschloss diese Forschungsgruppe am UPV/EHU, die Machbarkeit der Einbindung beweglicher Scanoptiken in diesen Prozess zu bewerten.

Das Team verwendete einen galvanometrischen Scanner, der einen sehr kleinen Laser mit großer Geschwindigkeit bewegt und dabei die Oberfläche Linie für Linie abtastet. Dadurch kann die Härtebreite einfach durch Änderung der Programmparameter angepasst werden. Lamikiz zog eine Analogie zwischen der Härtungsbehandlung und dem Prozess des Streichens einer Wand und erklärte, dass die herkömmliche Laserhärtung „so wäre, als würde man die Wand mit einer Walze streichen, sodass die Breite, die gestrichen wird, der Breite der Walze entspricht. Allerdings mit dem Neuen.“ Bei der Technik ersetzen wir die Walze durch einen Marker mit der feinsten Spitze.

„Mit dieser Technik war es möglich, die Härtung durchzuführen. Dann haben wir nach und nach gesehen, wie sich das Ergebnis der Behandlung je nach Geschwindigkeit der Laserbewegung, der eingesetzten Leistung usw. veränderte. Unseren Tests zufolge ist es so, dass sich der Laser sehr stark bewegt.“ schnell, die Ergebnisse ähneln denen des herkömmlichen Verfahrens“, erklärte Lamikiz.

Um die Möglichkeit einer weiteren Verwendung dieser Methodik zu untersuchen, führte die Abteilung für Maschinenbau der UPV/EHU in Zusammenarbeit mit Unternehmen im Baskenland und im Piemont (Italien) ein Projekt namens Hardlas durch, um herauszufinden, inwieweit der Prozess realisierbar war. „Wir können sagen, dass das Projekt ein Erfolg war, da wir gesehen haben, dass es realisierbar ist und auf die Industrie übertragen werden kann“, sagte der Forscher.

Obwohl sie die Machbarkeit des Verfahrens getestet haben, müssen noch Schritte unternommen werden, um bis zur industriellen Produktion zu gelangen. Eine der Hauptschwierigkeiten, mit denen sie konfrontiert waren, war die Kontrolle des Prozesses. „Es ist sehr wichtig, das zu behandelnde Material auf die erforderliche Temperatur zu bringen, damit die Behandlung stattfinden kann. Diese darf jedoch nicht überschritten werden, da wir sonst das Material schmelzen würden. Da sich der Laser in unserem Prozess ständig bewegt, ist die Steuerung komplexer. " erklärte Lamikiz.

Die Tests wurden an der Universität mit Laborgeräten durchgeführt. „Um das Verfahren im industriellen Maßstab einzusetzen, wäre es wichtig, es mit leistungsstärkeren Lasern, anderen Lasertypen, an anderen Materialien usw. auszuprobieren“, fügte Lamikiz hinzu.

[PubMed] Martinez S., Lamikiz A., Ukar E., Calleja A., Arrizubieta JA, Lopez de Lacalle LN (2016). „Analyse der Regime im scannerbasierten Laserhärteprozess“. Optik und Laser im Ingenieurwesen, 90: 72–80. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.opt.2016.10.005.

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