Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »CoilCladding«
Gleitlager sind kritische Komponenten in der Automobilindustrie, der Luftfahrt und der Energieerzeugung. Hochleistungsanwendungen erfordern Lager, die eine hohe strukturelle Steifigkeit mit ausgezeichneten tribologischen Eigenschaften vereinen. Bimetall-Lager – bestehend aus einem Stahlsubstrat mit einer Bronzebeschichtung – erfüllen diese Anforderungen.
Herausforderungen beim Bronze-Gießverfahren: Effizienz und Blei-Vermeidung
Aktuell werden Bimetall-Lager durch Gießen von Bronze auf ein vorbereitetes Stahlsubstrat hergestellt. Der Prozess umfasst eine umfangreiche Vorbereitung des Rohmaterials, manuelle Handhabung sowie anschließende Nachbearbeitung – die Gesamtprozessdauer beträgt etwa drei Tage. Die Materialeffizienz ist entsprechend gering und liegt unter zehn Prozent. Darüber hinaus enthalten die im Gießverfahren eingesetzten Bronzelegierungen typischerweise Blei, was nicht den RoHS-2-Richtlinien entspricht. Es besteht daher ein klarer Bedarf an einem bleifreien und ressourceneffizientem Alternativverfahren.
Bleifreie Bronze-Beschichtung mit Express Wire Coil Cladding (EW2C)
Im Forschungsprojekt »CoilCladding« entwickelt das Projektteam eine neue Methode zur Herstellung von Bimetall-Lagern, die sowohl industriell skalierbar als auch ökologisch nachhaltig ist.
Zum Einsatz kommt hier das am Fraunhofer IPT entwickelte und patentierte Verfahren Express Wire Coil Cladding (EW2C). Dabei handelt es sich um eine Weiterentwicklung des drahtbasierten Laserauftragschweißens (LMD-w), speziell für die Beschichtung rotationssymmetrischer Bauteile konzipiert.
Die entscheidende Innovation liegt in der Entkopplung der Drahtzufuhr vom eigentlichen Schweißprozess: Der Draht wird zunächst zu Federwindungen gewickelt und direkt auf die zu beschichtende Welle positioniert. Während des Schweißens rotiert die Welle um ihre eigene Achse, während ein Hochleistungslaser die Windungen auf die Oberfläche aufschweißt. Diese Entkopplung sorgt für höhere Prozessstabilität und erheblich gesteigerte Auftragraten – bis zu 14 kg/h bei Verwendung eines 35-kW-Lasers – ohne durch die Drahtzuführgeschwindigkeit begrenzt zu sein.
Forschungsschwerpunkte im CoilCladding-Projekt: Draht, Schutzgas, Auftragschweißen
Vorausgegangene Arbeiten am Fraunhofer IPT haben das EW2C-Verfahren erfolgreich mit Stahl und Nickelbasierlegierungen erprobt. Bronze stellt jedoch neue Herausforderungen dar – insbesondere hinsichtlich der Oxidationsneigung und der Drahthandhabung. Das Projekt untersucht daher drei eng miteinander verknüpfte Forschungsbereiche zur Qualifikation des Verfahrens für die industrielle Bronzebeschichtung.
- Drahthandhabung. Verschiedene Bronzelegierungszusammensetzungen und Drahtgeometrien werden systematisch untersucht. Werkstoffkennwerte wie die Rückfederung werden bestimmt; auf dieser Grundlage wird der Wickelprozess ausgelegt und validiert. Ein Konzept zur Automatisierung der Drahthandhabung wird entwickelt.
- Schutzgassystem. Ohne eine geeignete Inertgasatmosphäre führt die Oxidation während des Beschichtungsprozesses zu einer Beeinträchtigung der Beschichtungsqualität. Die aktuell verwendete zweiteilige Schutzgasumhausung erfordert eine manuelle Montage und ist daher für den industriellen Einsatz nicht geeignet. Im Projekt werden Konzepte für eine automatisierte Schutzgaszufuhr entwickelt; der Einfluss verschiedener Gasatmosphären auf die Beschichtungsqualität wird experimentell untersucht.
- Bronzeauftragschweißen. Der Prozessparameterraum – inklusive Laserleistung, Spotgröße und Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle – wird für Bronzedrähte systematisch aufgestellt. Der Einfluss der Coil-Geometrie und der Bearbeitungsstrategie wird anschließend durch metallographische und mechanische Untersuchungen erforscht. Geeignete Parameter und Strategien werden auf Basis der resultierenden Beschichtungseigenschaften ausgewählt.
Validierung und industrielle Umsetzung des EW2C-Prozesses
Die Forscherinnen und Forscher fertigen mehrere Demonstratoren mit verschiedenen Coil-Geometrien, um die gesamte Prozesskette zu validieren. Die Beschichtungseigenschaften werden durch metallographische Analyse und mechanische Tests charakterisiert; die wirtschaftliche Tragfähigkeit des Verfahrens wird im Vergleich zum konventionellen Gießverfahren bewertet. Bei Projektabschluss steht eine vollständig industriell einsatzfähige Prozesskette für die Bronzebeschichtung rotationssymmetrischer Bauteile zur Verfügung, die das EW2C-Verfahren auf einen industrietauglichen Technologie-Reifengrad bringt.
Marktpotenzial und Einsatzgebiete von Bimetall-Lagern mit Bronzebeschichtung
Gleitlager werden branchenweit eingesetzt – in Märkten mit stabilem wie auch in schnell wachsendem Umfeld, von der Luftfahrt bis zur Windkraft. Über die Lagerbranche hinaus kann das neue Verfahren auf jeden Anwendungsbereich übertragen werden, der hochqualitative tribologische oder thermische Beschichtungen auf rotationssymmetrischen Bauteilen erfordert.
Projektpartner
- Kugler Bimetal SA, Le Lignon, Schweiz (Koordination)
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen
- Hans Achenbach - Techn. Federn GmbH, Bad Berleburg
Förderung
Das Projekt »CoilCladding« wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages im Rahmen des Programms »Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)« gefördert.
Förderkennzeichen: KK5271505JN4
Projektträger: AiF Projekt GmbH