• Direct Metal Deposition, Bild: O.R. Lasertechnologie

    Pulverdüsen führen das Material an die richtige Stelle, ein Laser schmilzt es an Ort und Stelle auf. Bild: O.R. Lasertechnologie

  • Containerschiff, Bild: O.R. Lasertechnologie

    Die Antriebswelle einer Schiffsschraube bei einem großen Containerschiff hat typischerweise einen Durchmesser von rund 600 mm, wiegt bis zu 300 Tonnen und dreht sich 84 Mal pro Minute. Bild: O.R. Lasertechnologie

  • Verschleißschutzschicht, Bild: O.R. Lasertechnologie

    So sieht die Verschleißschutzschicht aus. Bild: O.R. Lasertechnologie

Die riesigen Containerschiffe, die heute weltweit auf allen Ozeanen kreuzen, benötigen einen starken Antrieb: Dieselmotoren mit bis zu 110.000 PS, ausgestattet mit 14 Zylindern. Die Antriebswelle der Schiffsschraube hat einen Durchmesser von rund 600 mm, wiegt bis zu 300 Tonnen und dreht sich 84 Mal pro Minute. Die Welle lagert in hydrodynamischen Gleitlagern, die bei diesem Kraftakt einem starken Verschleiß ausgesetzt sind. Der Grund dafür liegt im funktionellen Aufbau: Die Maschinenkomponenten - Welle und Lager - gleiten aufeinander und haben direkten Kontakt. Ein tragender Schmierfilm soll die Reibung reduzieren, baut sich jedoch erst bei steigendem Öldruck richtig auf.

Vor allem beim Anfahren und Auslaufen der Welle ist der schützende Ölfilm noch nicht oder nicht mehr komplett vorhanden, um Festkörperkontakt zu verhindern. Die Kontaktstellen sind dann einer starken Reibung ausgesetzt, was die Haltbarkeit der Lager reduziert.

Um die Leistungsfähigkeit der Gleitlager zu erhöhen, wird gewöhnlich in einem Gussverfahren der Lagerhohlkörper komplett mit einer tribologischen Schicht ausgegossen. Das Verfahren ist aufwendig: die Metalle werden bei 700 Grad Celsius geschmolzen und verarbeitet. In einem Nachbearbeitungsprozess wird rund 90 Prozent des aufgebrachten Materials wieder abgetragen, um das Lager in Form zu bringen. An diesem Verfahren hat sich in den letzten 100 Jahren kaum etwas verändert.

Beschichtung mit Laser

Heute bietet die neue Generation der Lasertechnik unter Einsatz einer Pulverdüse im Rahmen des DMD Verfahrens eine andere Möglichkeit: Die Metalllegierung wird im trockenen Zustand als Pulver über die Düse koaxial zum Laser zugeführt und auf der Innenseite des konkaven Stahlgrundkörpers aufgeschmolzen. Der Laser ermöglicht ein gezieltes, partielles Auftragen der Legierung. Dabei ist nur auf etwa 20 Prozent der Oberfläche tatsächlich eine Legierung notwendig, beim Gussverfahren wird das gesamte Lager mit dem kostspieligen Material ausgekleidet. Das Laserverfahren spart Zeit und Energie, da jeweils nur eine geringe Metallmenge aufgeschmolzen wird.

Dieses Additive Manufacturing eignet sich besonders für Lager, die im Dauerbetrieb arbeiten, für sehr große Lagerdurchmesser und dort, wo große Lagerkräfte wirken und hohe Drehzahlen gefordert sind. Außerdem können defekte Lagerschalen in diesem Verfahren repariert und in einen neuwertigen Zustand gebracht werden.

Ein schneller Wechsel der Legierung und Beschichtungen mit fast jeder Art von Metall ermöglichen die Entwicklung neuer Produkte. Auch kann ein Anbieter durch die additiven Fertigungsverfahren schneller auf Anfragen für individuelle Produkte reagieren.

Seit kurzem setzt das Berliner Unternehmen Admos Gleitlager das robotergestützte Lasersystem ein. Es kombiniert in der Fertigung von Gleitlagern einen sechs-Kilowatt-Faserlaser mit zwei Beschichtungsköpfen in Form von Pulverdüsen. Dadurch kann das Unternehmen nun Werkstoffe auf Kupferbasis einsetzen, wie CuSn oder CuPb, die im Gießprozess nicht verwendet werden konnten.

Erste Erfahrungen sind vielversprechend

Ein weiterer Vorteil bei der neuen Vorgehensweise ist die hohe Bindefestigkeit der unterschiedlichen Materialien. In Summe lassen sich gleich Produktionsschritte mit dem neuen Verfahren komplett einsparen, zudem reduziert sich die Nachbearbeitung.

Kurz nach Inbetriebnahme der Laseranlage zeigte sich, dass die Materialkosten durch den ressourceneffizienten Auftrag um 50 Prozent bis 80 Prozent verringert wurden. Darüber hinaus sanken die Energiekosten um 50 bis 70 Prozent gegenüber dem herkömmlichen Vergießen der Legierungen.

Jörg Hosemann, Geschäftsführer der Admos Gleitlager ist überzeugt: „Die Möglichkeiten, die sich mit der neuen Laseranlage für uns eröffnen, sind enorm: schnellere Produktionsabläufe, kurzfristige Liefermöglichkeiten und das alles mit hohem Einsparpotenzial. Ich rechne damit, dass sich die Investition in neue Lasertechnik kurzfristig für uns amortisieren wird.“