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Härterei setzt auf neue Technologie

Mit Laserhärten neue Dimensionen eröffnen

14.12.2023
von Redaktion MY FACTORY

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Bis zu 95% weniger Energieverbrauch, deutlich schneller als konventionelle Härteverfahren und viel präziser, das sind für die Ferrum Edelstahlhärterei die wichtigsten Gründe, um ihren Kunden Laserrandschichthärten anzubieten.

Der Laserstrahl erwärmt lokal begrenzt die Randschicht auf bis zu 1380°C – und das effizienter, als es Induktionsspulen oder Gasflammen können

Die Laserhärtetechnik eröffnet neue Dimensionen für das Härten stark beanspruchter Komponenten. So können besonders verschleißbeanspruchten Bereiche z.B. von Umform- und Spritzgußwerkzeugen, Biegestempeln und Maschinenteilen konturgenau und lokal präzise gehärtet werden, ohne dass nicht zu härtende Partien abgedeckt werden müssen oder komplexe Geometrien Probleme bereiten.

Obwohl das Laserhärten erst auf dem Weg in den industriellen Alltag ist, hat sich die Ferrum Edelstahlhärterei GmbH entschlossen, diese Technologie zusätzlich zu den bisherigen „klassischen“ verfügbaren Härteverfahren unter dem Schlagwort „Härten 4.0“ anzubieten. „Laserhärten braucht bis zu 95% weniger Energie verglichen mit den herkömmlichen klassischen Härteverfahren, dazu ist der Einsatz von Chemikalien und Kühlmedien und damit auch deren Bevorratung und Entsorgung nicht mehr notwendig “, fasst Sascha Weber, technischer Leiter bei der Ferrum Edelstahlhärterei, zusammen. „Das Laserhärten wollen wir für Kleinserien, Einzelteile und Sonderteile einsetzen, da ist der Laser unschlagbar flexibel.”

Nach sorgfältiger Recherche hat Ferrum zwei unterschiedliche Anlagen der Firma Alpha Laser GmbH angeschafft: die Härteanlagen AL-Rock modular (6 kW-Leistung) sowie AL-Rock mobil (4 kW-Leistung). Um eine möglichst große Vielfalt an Bauteilen härten zu können, besitzt der 6-kW-Laserroboter bis zu 16 synchronisierte Achsen, wobei die Ansteuerung aller Achsen über nur eine Steuerung erfolgt und dieses die Anlage sehr einfach bedienbar macht.

Bei der mobilen Laserhärtanlage sind alle Komponenten wie Lasereinheit, Kühlung und die Robotersteuerung im Roboterfahrwerk integriert; die Anlage kann zum Werkstück gefahren werden und ist innerhalb von fünf Minuten einsatzbereit

Die mobile 4-kW-Laseranlage ist im Gegensatz zu der stationären 6-kW-Anlage ein ortsunabhängiger komplett mobiler Roboter. „Das Besondere an der mobilen Anlage ist, dass alle Komponenten wie Lasereinheit, Kühlung und die Robotersteuerung im Roboterfahrwerk integriert sind und dass der Laser dank des Raupenfahrwerks zum Werkstück gefahren werden kann und innerhalb von fünf Minuten einsatzbereit ist“, erklärt Lennert Zirpel Produktmanager Robotik bei Alpha Laser.

„Mit diesen Anlagen ist es einfacher, die speziellen Herausforderungen unserer Kunden zu bedienen – und das kosteneffizienter als mit  klassischen Verfahren”, sagt Sascha Weber und weist dabei darauf hin, dass Ferrum auch noch in eine Automationsanlage investiert, um in größeren Serienkomponenten mit den Laseranlagen zu härten.

Der Prozess

Beim Laserhärten führt ein Roboter den Laserstrahl über die zu härtenden Flächen. Der Laserstrahl erwärmt lokal begrenzt die Randschicht auf bis zu 1380°C und das effizienter, als es Induktionsspulen oder Gasflammen können. Unmittelbar nach dem Erhitzen sorgt das restliche kalte Bauteilvolumen für eine Selbstabschreckung und fixiert das Härtegefüge. So entsteht eine gehärtete und extrem schlag- und abriebfeste Randzone.

„Wir haben unsere eigene Scanneroptik und die dazugehörige Temperatursteuerung zum Laserhärten entwickelt. Dadurch sind wir in der Lage, auch Radien zu härten. Die Schwierigkeit bei Radien ist, dass wir mit herkömmlichen Laserprozessen nur im Fokusbereich auf die gewünschte Temperatur kommen. Der Rest vom Radius bleibt kalt. Das können wir durch unsere intelligente Optik ausgleichen”, ergänzt Lennert Zirpel.

Voraussetzung fürs Laserhärten ist, dass das Material „laserhärtbar“ ist. Empfehlenswert sind Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,35 Prozent. Als Einhärtetiefe sind je nach Werkstoff 0,6 bis 1,5 mm und 60 bis 66 Rockwell (HRC) erreichbar.

Um die Vorteile des Verfahrens voll ausnutzen zu können, sollte neben der Ermittlung des Einsatzzweckes die Formgebung und das richtige Material ausgewählt sowie mitunter die Konstruktion angepasst werden. Der Kunde sollte sich deshalb schon im Vorfeld mit der Härterei über die Anforderungen an das Bauteil in Bezug auf die endgültige Verwendung abstimmen.

Ein Beispiel hierfür ist ein Steckschlüssel aus dem Werkstoff C15, also ein zu niedrig legierter Stahl zum Laserhärten. Beim klassischen Härteverfahren Einsatzhärten unter Schutzgas (z.B. in einem Kammerofen mit Ölabschreckung) müssten große Teile des Schlüssels aus C15 sehr aufwendig mit Isolierpaste abgedeckt werden, um nur den partiell stark beanspruchten Teil zu härten. „In Zusammenarbeit mit unserem Kunden haben wir das Material auf den Werkstoff C45 umgestellt und das neue Laserverfahren angewendet. Die Werkzeuge des Kunden werden nun mit deutlich weniger Handlingsaufwand, einem geringeren Energieverbrauch präzise partiell gehärtet und können viel schneller wieder ausgeliefert werden. – Ein weiterer und noch viel wichtiger Pluspunkt des Laserhärteverfahrens ist in dem geschilderten Beispiel die extrem geringe maßliche Veränderung des Werkzeuges mit nahezu keinem Verzug “, berichtet Sascha Weber.

Energie- und Zeitersparnis

Aber Laserhärten spart nicht nur Energie, sondern auch Zeit. Das partielle Nitrieren einer großen Welle mit einem Gewicht von 1 Tonne und einer angestrebten Einhärtetiefe von 1,0 mm kann bis zu 5 Tage (100 Stunden Nitrieren mit vorrausgegangenem Isolieren) dauern. Das partielle Laserhärten dauert dagegen mit Vorbereitung, Programmierung und Härten nur einen Tag, erfordert nur minimale Nacharbeit der behandelten Flächen und ermöglicht damit viel schnellere Lieferzeiten.

Verfahren kombinieren

Auch eine Kombination der klassischen Härteverfahren mit den neuen Laserverfahren ist möglich. „Wir haben Laserhärten schon mit Vakuumhärten kombiniert. Der Kunde wollte einen zähen Stempel mit einer maximalen Oberflächenhärte bei dem Werkstoff 1.2379. Daher wurde er im Vakuum durchgehärtet und angelassen, um die nötige Zähigkeit von 40 bis 44 HRC zu erreichen. Anschließend wurde der vordere Stempelbereich mit dem Laserverfahren behandelt und erreichte eine partielle Härte von 58 bis 62 HRC”, erläutert Sascha Weber.

Zur Qualitätskontrolle wird der gesamte Prozess, während des Härtevorgangs automatisch protokolliert und kann dem Kunden als Dokumentation im Anschluss ausgehändigt werden. Das garantiert Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit.

Schwer zu transportierende oder fest verbaute Umform- und Stanzwerkzeuge, können ggfs. sogar mit einer mobilen Laseranlage – unter bestimmten Voraussetzungen ohne vorherigen Ausbau – gehärtet werden.

Fazit

Mit dem Laserhärten können so, wie zuvor beschrieben, neue komplexe Anwendungsfelder erschlossen werden, die mit den klassischen Härteverfahren nicht realisierbar wären.

Text- und Bildquelle: Ferrum Edelstahlhärterei GmbH

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