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Beschichtung

Bremsscheiben schneller und haltbarer vor Verschleiß schützen

| Autor: Thomas Günnel

Weniger Bremsstaub und seltener Scheibenwechsel: Fraunhofer und die RWTH Aachen haben ein neues Beschichtungsverfahren für Bremsscheiben entwickelt. Es senkt die Prozesszeit deutlich und könnte schon bald für die Serienfertigung verfügbar sein.

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Fraunhofer und die RWTH Aachen haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Bremsscheiben schneller und haltbarer beschichten lassen.
Fraunhofer und die RWTH Aachen haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Bremsscheiben schneller und haltbarer beschichten lassen.
(Bild: Volker Lannert/Fraunhofer ILT)

Bremsscheiben verschleißen im Betrieb und verursachen dabei beträchtliche Feinstaubemissionen. Bislang verwendete Beschichtungsprozesse schützen die Scheiben nicht effektiv genug. Ein neues Verfahren soll das ändern: das sogenannte „Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen“ (EHLA) des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT und des Lehrstuhls „Digital Additive Production DAP“ der RWTH Aachen.

Basierend auf dem bekannten Laserauftragsschweißen, werden die Pulverpartikel des Beschichtungswerkstoffes beim EHLA-Verfahren direkt im Laserstrahl aufgeschmolzen – und nicht erst im Schmelzbad auf der Oberfläche des Bauteils. So gelangen flüssige Materialtropfen statt fester Pulverpartikel in das Schmelzbad. Das hat zwei Vorteile: Es entstehen dichte Schichten, die das Bauteil – hier die Reibfläche – sehr gut schützen. Außerdem steigt die Prozessgeschwindigkeit: Statt bisher 0,5 bis zwei Meter pro Minute sind nun bis zu 500 Meter pro Minute möglich.

Keine spröden Phasen, Poren oder Risse

Der Nebeneffekt: Die Wärmeeinwirkung auf das zu beschichtende Material sinkt deutlich in den Mikrometerbereich. Der Kohlenstoff löst sich nicht mehr aus der Bremsscheibe in der Schmelze – was bisher in spröden Phasen, Poren, Bindefehlern und Rissen in der Beschichtung beziehungsweise der Anbindungszone resultierte. Die Beschichtungsstärke kann zwischen 25 bis 250 Mikrometern liegen. Die Schicht ist dabei reiner und glatter – die Rauheit sinkt auf etwa ein Zehntel bisheriger Werte. Neue Materialkombinationen sind ebenfalls denkbar, etwa das Beschichten von Aluminium- oder eben Gusseisenlegierungen.

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„Mit dem Verfahren lassen sich erstmals gut haftende Schichten auf Bremsscheiben auftragen, die fest mit dem Grundstoff verbunden sind und im Gegensatz zu den mit herkömmlichen Verfahren erzeugten Schichten nicht abplatzen können“, beschreibt Thomas Schopphoven, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Teamleiter „Produktivität und Systemtechnik“ in der Gruppe Laserauftragschweißen am Fraunhofer ILT.

Bereit für die Serienfertigung

Für das Verfahren sind diverse Materialien nutzbar, laut der Entwickler lässt sich so eine angepasste Beschichtung mit umweltfreundlichen Materialien erzeugen. Außerdem sind rund 90 Prozent des Materials nutzbar – eine gute Bilanz mit Blick auf eine ressourcenschonende und wirtschaftliche Fertigung; und sehr gute Voraussetzungen für den serienmäßigen, industriellen Einsatz des Verfahrens – der kurz bevorstehen könnte: Laut der Entwickler belegen erste Tests, dass sich mit dem Verfahren beschichtete Bremsscheiben basierend auf konventionellen Grauguss-Scheiben reproduzierbar herstellen lassen, auch mit unterschiedlichen Materialkombinationen. Eine serientaugliche Anlagentechnik mit angepasstem Schleif-Finish errichtet derzeit die Firma HPL Technologies in Aachen.

Potenzial für die additive Fertigung

Über die Beschichtung hinaus kann das EHLA-Verfahren nützlich sein, zum Beispiel bei dem hybrid-additiven Ansatz, um Volumenelemente auf bereits vorhandenen, konventionell hergestellten Bauteilen herstellen. Bisherige Prozessketten verwenden meist ein subtraktives Verfahren, bei dem häufig bis zu 90 Prozent des ursprünglichen Bauteils zerspant werden. Mittels EHLA lassen sich diese Abläufe deutlich vereinfachen.

Beispiel: Das spanende Fertigen von Flanschen und Dichtsitzen aus einem Rohling auf einer Welle kann mehrere Stunden dauern. Das gleiche Bauteil hybrid-additiv mittels EHLA herzustellen, dauert nur einige Minuten – das finale Nachbearbeiten mittels Drehen ist nach einigen weiteren Minuten abgeschlossen.

Fraunhofer zeigt Details zum EHLA-Verfahren auf der IAA

Bereits während der Forschung am EHLA-Verfahren erhielten die Unternehmen in den vergangenen Jahren mehrere Preise: im Jahr 2017 den Joseph-von-Fraunhofer-Preis und im Jahr 2018 den Berthold-Leibinger-Innovationspreis sowie den 2. Preis des Stahl-Innovationspreises in der Kategorie „Stahl in Forschung und Entwicklung“ als umweltfreundliche Laser-Alternative zur Chrom(VI)-Beschichtung. Fraunhofer zeigt Details zum EHLA-Verfahren vom 10. bis zum 13. September auf dem Gemeinschaftsstand auf der IAA in Frankfurt am Main.

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Über den Autor

 Thomas Günnel

Thomas Günnel

Redakteur/Fachjournalist, Redaktion AUTOMOBIL INDUSTRIE