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Entwicklungen in der Oberflächentechnologien: Ein vergleichender Überblick über Thermisches Spritzen, Auftragsschweissen und Laserauftragsschweissen

Oberflächentechnologien sind zu einem wichtigen Grundpfeiler der modernen Fertigung geworden, da sie die Verbesserung der Materialeigenschaften und die Verlängerung der Lebensdauer kritischer Bauteile in verschiedenen Branchen ermöglichen. Zu den bekanntesten Technologien zählen mitunter thermisches Spritzen, Auftragsschweissen und Laserauftragsschweissen. Jede Methode bietet einzigartige Vorteile aber auch Einschränkungen, die sie für Anwendungen von Luft- und Raumfahrt, Automotive und Energie bis hin zur Medizinaltechnik und Schwerindustrie geeignet machen. Dieser Artikel bietet einen technischen Überblick über diese Technologien, vergleicht ihre Funktionsprinzipien, resultierende Beschichtungen, Wärmeeintrag, Limitationen, Kosteneffizienz und die neuesten Entwicklungen in diesem Technologiefeld.

1. Arbeitsprinzipien der wichtigsten Oberflächentechnik-Technologien 1.1 Thermisches Spritzen

Thermisches Spritzen beinhaltet das Projizieren von geschmolzenen oder halb geschmolzenen Partikeln auf ein Substrat, um eine Beschichtung zu bilden. Der Prozess schmilzt das Grundmaterial nicht auf, was die Integrität des Substrats weitestgehend bewahrt. Die gängigsten Varianten sind Plasmaspritzen, Flammenspritzen und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. Die Techniken werden für ihre Vielseitigkeit bei der Anwendung einer Vielzahl von Materialien geschätzt, darunter Metalle, Keramiken und zum Teil auch Verbundwerkstoffe.

1.2 Auftragsschweissen

Das Auftragsschweissen legt eine Metallschicht auf ein Substrat mittels Lichtbogenschweissen und/oder konventioneller Schweissflamme. Dies schafft eine robuste metallurgische Verbindung, was sie ideal für Anwendungen mit hoher Verschleiss- und Korrosionsbeständigkeit macht. Der Prozess führt jedoch erhebliche Wärme in das Substrat ein, was zu thermischen Spannungen, Dilution und zu plastischen Verformungen des Grundmaterials führen kann.

1.3 Laserauftragsschweissen

Laserauftragsschweissen oder Lasercladding verwendet einen fokussierten Laserstrahl, um das Beschichtungsmaterial mit dem Substrat zu verschmelzen. Diese Methode bietet eine präzise Kontrolle über den Wärmeeintrag und die Dilution, was zu hochwertigen Beschichtungen mit minimalen Auswirkungen auf das Grundmaterial führt. Lasercladding ist besonders effektiv für Präzisionsanwendungen und für die Aufbringung fortschrittlicher Werkstoffe.

2. Resultierende Beschichtungen und ihre Spezifikationen

Jede Technologie erzeugt Beschichtungen mit spezifischen Eigenschaften:

  • Thermisches Spritzen: Die Beschichtungsdicke reicht von 50 bis 1500 Mikrometer. Die Oberflächenrauheit beträgt typischerweise 3–15 Mikrometer Ra (im gespritzten Zustand), was nach dem Schleifen bzw. Polieren auf 0,1 Mikrometer Ra reduziert werden kann. Die intrinsischen Porositäten variieren je nach Beschichtungsmethode und Material zwischen 1 und 15 %.

  • Auftragsschweissen:  Die Beschichtungen sind in der Regel vollständig dicht, mit Dicken von 1,6 mm bis zu mehreren Millimetern. Die Oberflächenrauheit beträgt 5–20 Mikrometer Ra und kann nach der Bearbeitung auf weniger als 1 Mikrometer Ra reduziert werden.

  • Laserauftragschweissen: Typische Dicke beträgt 300–2000 Mikrometer (bei Hochgeschwindigkeits-Lasercladding 50–500 Mikrometer). Die Oberflächenrauheit beträgt 5–20 Mikrometer Ra, reduziert nach der Bearbeitung auf weniger als 1 Mikron Ra. Die Porosität ist aufgrund der metallurgischen Bindung und kleiner Dilution sehr gering (<1–3 %).

3. Wärmeeintrag und Prozesslimitationen

Ein entscheidender Faktor bei Oberflächentechnologie ist der Wärmeeintrag und dessen Einfluss auf das Substrat:

Technologie

Hitzeeintrag

Prozessbeschränkungen

Thermisches Spritzen

Niedrigster Wärmeeintrag; minimaler Substrateffekt

Nur mechanische Bindungen (Verklammern); kann eine Nachbearbeitung erfordern

Auftragsschweissen

Höchster Wärmeeintrag; Verzugsrisiko

Hoher Energieverbrauch; weniger präzise; Nicht praktikabel für dünne Substrate

Laserauftragsschweissen

Mässiger Wärmeeintrag; kleine WEZ, geringe Verdünnung

Schichtresultat empfindlich bei verschiedenen Oberflächenvorbereitung; langsamer für grosse Flächen

Thermisches Spritzen wird bevorzugt, wenn die Integrität des Substrats oberste Priorität hat, während eine Auftragsschweissen für robuste, dicke Beschichtungen am besten geeignet ist. Die Lasercladding schafft als dritte Option ein Gleichgewicht und bietet Präzision mit moderatem Wärmeeinsatz.

4. Kostenbewertung und operative Effizienz

Kosten und Effizienz sind entscheidend bei der Auswahl eines Oberflächenverfahrens:

  • Thermischer Spritzen: Niedrige bis mittlere Gerätekosten, hoher Materialdurchsatz, aber möglicherweise Nachbearbeitung notwendig.

  • Auftragsschweissen:  Niedrige Gerätekosten, hoher Energieverbrauch und hoher Durchsatz, aber abhängig von qualifizierten Bedienern bzw. Beschichtern.

  • Laserauftragsschweissen: Hohe Anfangsinvestition, aber effizient für Präzisionsaufgaben mit hohem Mass an Automatisierung und Wiederholbarkeit. Allerdings können die Aufbau- bzw. Rüstzeiten lang sein.

5. Anwendungen und Sonderbereiche

Die Wahl der Technologie hängt von der Anwendung und den gewünschten funktionalen Eigenschaften ab:

Technologie

Typische Anwendungen

Schichtfunktion

Thermisches Spritzen

Turbinenschaufeln, Pumpwellen, biomedizinische Implantate

Wärmedämmung, Verschleissfestigkeit, Biokompatibilität

Auftragsschweissen

Maritime Bauwerke, Bergbau, Ventile, Pipelines

Strukturelle Bewehrung, Korrosionsbeständigkeit

Laserauftragsschweissen

Hydraulikzylinder, Spritzgussformen, Schneidwerkzeuge

Präzisionsbeschichtung, minimale Dilution, hohe Härte

 

6. Entwicklungen und Innovationen

6.1 Thermisches Spritzen

  • Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF): Immer beliebter für den Korrosionsschutz in Kesseln und Prozessbehältern. HVOF bietet in vielen Fällen keine hitzebeeinträchtigten Zonen, keine Nachschweiss-Wärmebehandlung und bis zu 50 % Kosteneinsparungen gegenüber Schweissüberlagerungen.

  • Cold Spray Additive Manufacturing (CSAM): Verwendet für Freiformgeometrien und temperaturempfindliche Materialien wie Kupfer und Aluminium.


6.2 Auftragsschweissen

  • Hybride Ansätze: Kombination von Auftragsschweissen mit HVOF für erhöhte Haltbarkeit und geringere Wartung.


6.3 Laserauftragsschweissen

  • Laser-Lichtbogen-Hybridschweissen (LAHW): Verbindet Laserpräzision mit der Ablagekapazität des Lichtbogenschweissens. Die Strahlschwingung verbessert die Dynamik des Schmelzbeckens, reduziert die Porosität und erhöht die Verschleissfestigkeit.

  • Hochgeschwindigkeits-Laserauftragsschweissen (HSLC): Erreicht Abscheidegeschwindigkeiten bis zu 300 m/min mit 90 % Effizienz und Beschichtungsdicken von 50–500 μm pro Schicht.

  • Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftrasgsschweissen (EHLA): Entwickelt vom Fraunhofer-Institut und industrialisiert von Unternehmen wie TRUMPF, erreicht EHLA bis zu 500 cm²/min, <4 % Dilution und Ra < 10 μm Oberflächenrauhigkeit.

  • Amorphe Schichten: Einsatz von Fe-, Co-, Ni-basierten Legierungen, amorphen Legierungen und Hochentropielegierungen. EHLA ermöglicht >90 % amorphe Phase, wodurch Sprödigkeitsprobleme behoben werden können.

  • Automatisierung und Sensing: Integration von Echtzeitüberwachung, adaptiver Steuerung und robotischen Systemen für komplexe Geometrien und präzise Ablagerungen.


Thermisches Spritzen, Auftragsschweissen und Laserauftragsschweissen spielen jeweils eine entscheidende Rolle in der modernen Oberflächentechnik. Die Wahl hängt von den spezifischen Anforderungen an Beschichtungsdicke, Substratintegrität, Kosten und Betriebseffizienz ab. Jüngste Innovationen – insbesondere bei Hochgeschwindigkeits- und Hybridprozessen – verschieben die Grenzen des Möglichen und ermöglichen langlebigere, präzisere und kosteneffizientere Lösungen für die Industrie. Mit der fortschreitenden Weiterentwicklung dieser Technologien wird ihre Integration mit Automatisierung, fortschrittlichen Materialien und Echtzeitsteuerungssystemen ihre Fähigkeiten weiter verbessern und ihre Anwendungsmöglichkeiten erweitern.


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