Erfunden in Aachen, Start in den Niederlanden, Einsätze in China und der Türkei – jetzt Erfolg in Deutschland bei Toolcraft. Die Rede ist vom Extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweissen EHLA, einem patentierten und mehrfach preisgekrönten Verfahren des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT aus Aachen.

Im mittelfränkischen Georgensgmünd sitzt in einer modernen Hightech-Fabrik die Toolcraft AG, einer der aktivsten deutschen Pioniere für 3D-Metalldruck. Das Unternehmen verfügt zusätzlich zum grossen Maschinenpark im Bereich Zerspanung (Präzisionsbauteile, Werkzeugbau) und Kunststoff-Spritzgiessen über eine enorme Bandbreite an AM-Anlagen für metallische Werkstoffe auf Basis des laserbasierten Pulverbettverfahrens LPBF, dem Laserauftragschweissen LMD und dem Extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweissen EHLA.

TruLaser Cell 3000: weltweit einzige EHLA-Hybridanlage

Auf zwei Trumpf-Anlagen ist das Unternehmen besonders stolz, denn es sind Premieren: Die Trumpf TruPrint 1000 Green Edition und eine massgeschneiderte TruLaser Cell 3000. Die Green Edition trägt die Seriennummer 001; die TruLaser Cell 3000 ist die weltweit bisher einzige EHLA-Hybridanlage. Während die Mittelfranken mit der Green Edition u.a. dem Trend zur Elektromobilität folgen, in der es vor allem reines Kupfer und Kupferlegierungen wie CuCr1Zr zu schweissen gilt, soll die neue für Toolcraft massgeschneiderte Anlage mit EHLA weitere letzte Lücken im AM-Portfolio schliessen. «Für uns hat Trumpf auf der Basis der TruLaser Cell 3000 die ‹eierlegende Wollmilchsau› gebaut», freut sich Christoph Hauck, dem das Unternehmen den Einstieg in den 3D-Druck verdankt und der sich selbst als «positiven Unruhestifter innerhalb des Geschäftsführertrios» bezeichnet.

EHLA erweitert Universalmaschine zum Laser-Tausendsassa

Doch warum ist es eine eierlegende Wollmilchsau? Dazu ein klärender Blick in die Laser-Maschine. Standardmässig besitzt die TruLaser Cell 3000 einen grossen Arbeitsraum mit den Massen 800 mm x 600 mm x 353 mm, der zwei- und dreidimensional laserschneiden und -schweissen sowie laserauftragschweissen kann. Tempo in das Laserauftragschweissen bringt der zusätzlich integrierte EHLA-Arbeitskopf, der die bisherige Auftragsgeschwindigkeit gegenüber dem Standardverfahren von bis dahin maximal 2,0 auf mehrere Hundert Meter pro Minute erhöht.

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Werkzeugbahnen für den Materialauftrag automatisiert planen

Mit ihm lassen sich auf rotationssymmetrische Bauteile sehr schnell Schichten mit Stärken ab 0,05 mm bis hin zu mehrlagigen Volumina mit Schichtstärken von mehreren Zentimetern auftragen. Dazu erhielt die Trumpfanlage eine zusätzliche A-Achse für bis zu 1‘490 mm lange Bauteile mit einem maximalen Durchmesser von 320 mm sowie einen einschwenkbaren 3D-Laser-Profilscanner zum Vermessen und Positionieren eingespannter Werkstücke. «Der Einsatz des Scanners ermöglicht aber deutlich mehr», erklärt Dr. Thomas Schopphoven, Gruppenleiter Laser Material Deposition am Fraunhofer ILT. «In Kombination mit einer geeigneten Software können die mit Scanner erfassten Geometriedaten genutzt werden, um die Werkzeugbahnen für den Materialauftrag mittels Laserauftragschweissen automatisiert zu planen.»

Gefragt ist das EHLA-Beschichten etwa mit metallgebundenen Hartstoffschichten unter anderem als Alternative zum Hartverchromen mit krebserregenden, Chrom (VI)-haltigen Stoffen.

EHLA-Beschichten als Alternative zum Hartverchromen

Die Mittelfranken setzen EHLA ein, um beschädigte Stellen an rotationssymmetrischen Bauteilen zu reparieren und um sie zu beschichten. Das EHLA-System hat sich u.a. in den Niederlanden und China bewährt, wo es auf mehrere Meter lange Offshore-Zylinder Korrosions- und Verschleissschutz aufträgt. Gefragt ist das EHLA-Beschichten etwa mit metallgebundenen Hartstoffschichten unter anderem als Alternative zum Hartverchromen mit krebserregenden, Chrom (VI)-haltigen Stoffen, die wegen gesetzlicher Richtlinien wie der EU-Altfahrzeugverordnung und der RoHS-Richtlinie in vielen Bereichen nur noch nach einer speziellen Autorisierung erlaubt sind.

Partiell mit EHLA mit hauchdünnem Verschleissschutz veredeln

Nicht nur aufgrund der Möglichkeit umweltfreundlichere Schichten zu erzeugen, sondern auch wegen der oft deutlich effizienteren Arbeitsweise, kommt das schnelle Auftragen mit dem Laser für viele Branchen infrage. «Die Botschaft an Kunden und Interessenten ist klar: Gebt uns Aufgabenstellungen, wir prüfen die Machbarkeit und machen uns an die Umsetzung inklusive Laborbericht», sagt Hauck. «Viel zu tun gibt es beispielsweise im Bereich Walzen.» Erste Aufträge kommen von Herstellern von Bau- und Druckmaschinen, für die das Unternehmen Rotationsteile mit EHLA veredelt.

Doch der 3D-Druck-Pionier will mehr. «Oft geht es um Korrosion- und Verschleissschutz», erklärt er. «Doch muss ich dann unbedingt teures Hartmetall verwenden, kann ich nicht stattdessen eine hybride Lösung finden? Ich könnte auch einen Grundkörper aus Werkzeugstahl nehmen und ihn dann partiell mit EHLA mit hauchdünnem Verschleissschutz veredeln.» Das ist einer der Gründe, warum Toolcraft sich von Trumpf eine Maschine massschneidern liess, die gleich mehrere Lasertechniken beherrscht.

Nachbearbeitung funktioniert auch mit EHLA-Arbeitskopf

Auch bei EHLA steht oft Nachbearbeitung mit dem Ziel sehr geringer Rauheit an – etwa per Zerspanung, Rundschleifen oder Feinstdrehen. Beim Experimentieren stellten die 3D-Druck-Pioniere erstaunt fest, dass es manchmal auch ausreicht, mit der EHLA-Düse nochmals über die Oberfläche zu fahren – allerdings mit abgestellter Metallpulverzufuhr. Das heisst: Toolcraft beherrscht auch das noch junge und neue Gebiet des Laserumschmelzens zur Verbesserung der Oberflächengüte.

«Es entstehen völlig neue Lösungen, die sich konventionell nicht verwirklichen liessen.» Jonathan Krauss, Toolcraft AG

Was halten aber Mitarbeiter von dem neuen Laser-Tausendsassa? Jonathan Krauss, Verfahrenstechniker und Systemverantwortlicher für LMD, freut sich über die neuen Möglichkeiten der cleveren Kombination unterschiedlicher Materialien: «Es entstehen völlig neue Lösungen, die sich konventionell nicht verwirklichen liessen.» Krauss arbeitet beim Laserauftragschweissen eng zusammen mit LMD-Projektleiter Florian Schlund, den nicht nur die Reparaturmöglichkeiten, sondern vor allem die neuen hybriden Projekte faszinieren: Etwa durch das Verschweissen von zwei unterschiedlichen Werkstoffen zu einem neuen Bauteil.

Hybride Fertigung mit Roboter in Sicht?

Wer Hauck erlebt hat und kennt, der weiss, dass der positive Unruhestifter schon weiterdenkt: «Im Augenblick ist das Verheiraten von Robotik und 3D-Druck im Gespräch.» Daher sah er sich neulich zusammen mit seinem externen Berater Dr. Thomas Schopphoven am Fraunhofer ILT die Ergebnisse des BMBF-Forschungsprojekts ProLMD an. Die Kombination von Laserauftragschweissen mit konventionellen Fertigungsverfahren und Robotern zu einer völlig neuen Form der hybrid-additiven Fertigung.