Laserverfahren für tribologische Beschichtungen und Korrosionsschutz

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt energieeffi ziente, ortsselektive und nachhaltige Laserverfahren zur Her-stellung von Beschichtungen, die die Temperaturbeständigkeit von Bauteilen erhöhen, die Reibung reduzieren oder vor Verschleiß und Korrosion schützen. Tribologische Beschichtungen werden vor allem in Anwendungsbereichen eingesetzt, in denen die funktionalen Anforderungen an Komponenten die Leistungsfähigkeit der Grundwerkstoffe übersteigen. Im Zuge des industrieübergreifenden Trends zur Funktionsintegration werden die Anforderungen zunehmend komplexer. Die Lasertechnik bietet hier wirtschaftliche Lösungen für innovative und nachhaltige Beschichtungskonzepte. 

Die Erzeugung von tribologischen Beschichtungen beinhaltet oftmals einen Verfahrensschritt, mit dem zuvor nasschemisch aufgebrachte Beschichtungswerkstoffe thermisch funktionalisiert werden (z. B. beim Aushärten, Sintern, Schmelzen, Verdichten). Konventionell erfolgt dieser Schritt mittels ofenbasierter Verfahren mit dem wesentlichen Nachteil, dass das gesamte Bauteil auf die Funktionalisierungstemperatur der Beschichtung erwärmt werden muss. Daraus resultieren zum einen eine geringe Energieeffizienz und zum anderen eine signifikante Einschränkung des Werkstoffspektrums: Die Verwendung von temperaturempfindlichen Materialien, wie z. B. industrierelevante Wälzlagerstähle und Aluminiumlegierungen, ist somit oft nicht oder nur eingeschränkt möglich.

Eine vielversprechende Alternative stellen laserbasierte Beschichtungsverfahren dar, mit denen die thermische Energie direkt in die Beschichtung und nicht in das gesamte Bauteil eingebracht werden. Die spektrale, zeitliche und örtliche Steuerbarkeit der Laserstrahlung ermöglicht eine applikationsangepasste Modulation der Temperaturprofile im Bauteil. Aufgrund der erreichbaren großen Heiz- und Kühlraten in definierten kleinen Volumina kann der Energieeintrag in das Bauteil reduziert und somit die thermische Belastung minimiert werden.

Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren bietet der Lasereinsatz z. B. ökologische und ökonomische Vorteile: das berührungslose  und verschleißfreie Werkzeug erzeugt die Beschichtungen energieeffizient und schnell. Das entwickelte Verfahren ist dabei für die durch Industrie 4.0 angestoßenen Entwicklungen (z. B. für eine Maschinenvernetzung und ein durchgängiges Datenmanagement) ausgelegt.

Hochleistungspolymere sind als Beschichtungswerkstoff für Anwendungen prädestiniert, 

in denen neben tribologischen Belastungen zusätzliche Anforderungen an Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit bestehen. Zudem ermöglicht diese Werkstoffklasse eine applikationsspezifische Additivierung, um  

z. B. das Reibverhalten gezielt zu modifizieren. Bisherige Arbeiten in diesem Bereich umfassen insbesondere auf Polyetheretherketon (PEEK) basierende Beschichtungen von metallischen Grundmaterialien. Die Polymerschichtdicke liegt typischerweise im Bereich 10–100 μm. Bei Stahlsubstraten lässt sich die zur vollständigen Funktionalisierung des Polymers erforderliche Wechselwirkungszeit – im Vergleich zu Ofen-prozessen – auf ein Hundertstel senken.

Durch iterative Wiederholung von Schichtapplikation und laserbasierter Funktionalisierung können polymerbasierte Mehrfachschichten mit Schichtdicken über 100 µm hergestellt werden. Dabei lassen sich auch tribologisch optimierte Einzelschichten zu Multi-Schicht-Systemen verbinden, ohne dass sich die Einzel-schichten während des Schmelzverfahrens vermischen.

Verschleißschutzschichten besitzen ein enormes Potenzial und werden u.a. in der Automobilindustrie eingesetzt, um die tribomechanischen Eigenschaften hochbeanspruchter Motoren- und Getriebekomponenten zu opti-mieren. Im Speziellen können nanopartikuläre Werkstoffe z. B. in Form von Sol-Gel-Systemen mit geringem technologischem Aufwand durch energie- und ressourcenschonende Ver-fahren Druck- und Sprühverfahren selektiv auf stark beanspruchte Bereiche der zu schützenden Bauteile appliziert werden. Auf gehärtetem Stahl konnten bisher Beschichtungen mit Schichtdicken von 0,1-1 μm und einer Mikrohärte von über 1000 HV hergestellt werden. 

Neben Verschleißschutzschichten können auch sol-gel-basierte Antihaftbeschichtungen mittels Laserstrahlung funktionalisiert werden. Die Laserstrahlung ermöglicht die Erzeugung der notwendigen Temperatur in der Beschichtung bei geringer thermischer Belastung des Bauteils, wodurch eine schnelle und energieeffizient Beschichtung auch auf temperaturempfindlichen Substraten möglich ist. Sol-gel-basierte Antihaftschichten werden so erfolgreich auf Metall, Polymer und CFK mittels Laserstrahlung hergestellt.

Warmaushärtende Lacke (z. B. MoS₂-basierte Werkstoffe) finden ein weites industrielles Anwendungspotenzial im Bereich der Reibungsreduzierung bei mittleren bis hohen Temperaturen. Die Lacke werden dabei vorwiegend zur Beschichtung von Stahlwerkstoffen eingesetzt, z. B. für Anwendungen in der  Luft- und Raumfahrt. Durch die Verwendung von Vertical Cavity Surface Emitting Laserstrahlquellen (VCSEL) kann die Prozessdauer von bis zu 30 Minuten bei Ofenverfahren auf nur wenige Sekunden reduziert werden. Darüber hinaus nimmt der per Kalottenschliff gemessene Verschleißkoeffizient um den Faktor sechs ab.

Das Fraunhofer ILT verfügt über jahrelange Erfahrung im Bereich der laserbasierten Reinigung sowie der Vorbehandlung und Struktu-rierung von Bauteiloberflächen. Auf Grundlage dieser Kompetenzen werden Verfahren zur Vorbehandlung von zu beschichtenden Bauteile entwickelt, mit denen etwa das Benet-zungsverhalten der nasschemisch deponierten Schichten verbessert werden kann. Zudem wird die Verbundfestigkeit von Beschichtung und Bauteil z. B. durch eine gezielte Oxidation der Oberfläche oder einer Modifikation der Oberflächentopographie in der Regel signifikant vergrößert.