Drehbare Innenbearbeitungsoptik macht müde Motoren munter

Drehbare Innenbearbeitungsoptik macht müde Motoren
munter
Effiziente Reparatur verschlissener Zylinderbohrungen durch
Laserauftragschweißen
Ob zur Reparatur beschädigter Bauteile oder gezielten Optimierung von
Materialeigenschaften – dank hoch präzisem Materialauftrag, sicherer
Reproduzierbarkeit, marginaler thermischer Belastung der Bauteile und
geringem Aufwand für die mechanische Nachbearbeitung auf Fertigmaß
ist Laserauftragsschweißen heute unverzichtbar. Für schwer zugängliche
Innenkonturen oder Sackbohrungen, die Standardoptiken nicht erreichen,
steht iClad®, eine Innenbearbeitungsoptik für Durchmesser ab 26
Millimetern und eine Tiefe bis zu 500 Millimetern, zur Verfügung. Erstmals
wurde diese Spezialoptik der Pallas GmbH & Co. KG jetzt mit einem
drehbaren
Beschichtungskopf
zur
Reparatur
verschlissener
Zylinderbohrungen eines Diesellokomotivmotors erfolgreich eingesetzt.
Das
eröffnet
bislang
ungekannte
Möglichkeiten
zur
Innenkonturbearbeitung von Bauteilen mit exzentrischen Bohrungen oder
nicht rotationssymmetrischen Öffnungen ab 50 Millimetern Durchmesser
und einer Tiefe von 500 Millimetern.
Reparatur von Großmotoren für Diesellokomotiven
Kernkompetenz des belgischen Unternehmens Laser Coating Diamond
Technology (LaserCo DT) mit Sitz in Strépy-Bracquegnies, rund 60 Kilometer
südwestlich
von
Brüssel,
Laserauftragschweißen
und
sind
Verschleißschutz
für
Metalle
Diamantbeschichtungen.
Die
durch
belgische
Eisenbahngesellschaft beauftragte die LaserCo DT mit der Instandsetzung von
am oberen und unteren Kolbenumkehrpunkt verschlissenen, gusseisernen
Zylinderbohrungen von Diesellokomotivmotoren per Laserauftragschweißen. Ir
Hugues
Desmecht,
Geschäftsführer
von
LaserCo
DT,
renommierte Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT) in
betraute
das
Aachen mit einer
technischen Machbarkeitsstudie. Umgesetzt wurde diese im Schulterschluss
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mit der Pallas GmbH & Co KG, die gemeinsam mit dem ILT die iClad®-Optiken
entwickelt hat und vertreibt. Zwei von sechs beschädigten Zylinderbohrungen
sollten für die Machbarkeitsstudie per Laserauftragschweißen beschichtet
werden.
Laserauftragschweißen ersetzt Neukauf
Der Neukauf eines Motors dieser Größe schlägt mit 14.000 Euro zu Buche.
Angesichts des enormen Kosten- und Termindrucks sind Reparaturen per
Laserauftragschweißen
eine
etablierte
Alternative
zur
kosten-
und
zeitintensiven Neuanfertigung. Zur Behandlung von Außenflächen stark
beanspruchter Bauteile stehen am Markt zahlreiche Standardoptiken zur
Verfügung. Bei ausreichend großen Zugängen – 100 Millimeter und mehr –
werden
diese
auch
für
Innenkonturarbeiten
verwendet.
Für
defekte
Zylinderbohrungen versprechen schnelle, prozesssichere und obendrein
kostengünstige
Reparaturverfahren
durch
Laserauftragschweißen
mit
drehbaren miniaturisierten iClad®–Innenkonturbearbeitungsoptiken weiteres
enormes Einsatzpotenzial. Entsprechend hochgesteckt waren die Erwartungen
von
Ir
Hugues
Desmecht
und
seinen
Kunden
aus
der
Eisenbahnunternehmensbranche an die Machbarkeitsstudie am ILT zur
Instandsetzung
der
beschädigten
Zylinderlaufflächen
des
Diesellokomotivmotors.
Kleine Optik leistet Großes
Jede iClad®–Optik besteht aus den drei Modulen Düse, Hauptkörper und
Faseraufnahme.
Anders
als
bei
herkömmlichen
Optiken
beträgt
der
Arbeitsabstand zwischen Kopf und Bauteil nur wenige Millimeter. Bei bisher
bekannten Optiken sind Arbeitsabstände von bis zu 20 Millimetern durchaus
gängige Praxis. Sackbohrungen werden problemlos mit einer 30°-Optik
beschichtet, da der Arbeitspunkt des Lasers hier vor der Optik liegt. Bei
durchgängigen Bohrungen kommt in der Regel ein Laserstrahl im 90°-Winkel
zum
Einsatz.
Zusätzliche
Einsatzflexibilität
bietet
die
schlanke
Innenbearbeitungsoptik durch die Möglichkeit, sie sowohl seitlich als auch von
oben in die zu beschichtende Bohrung einzuführen. Wesentliches Kriterium für
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die industrielle Anwendung ist die dauerhafte thermische Belastbarkeit der
Optik. Aktive Wasserkühlung verhindert die Überhitzung der filigranen
Komponenten, ein interner Optikschutz beugt der Verschmutzung oder
Beschädigung der Optik durch Partikelablagerung vor. Zusätzlich wird der
Strahlengang permanent mit Schutzgas gespült.
In der Bohrung geht es rund
Zur Instandsetzung der Zylinderbohrungen des Diesellokomotivmotors der
LaserCo
DT
wurde
erstmals
eine
iClad®-Optik
mit
rotierendem
Bearbeitungskopf genutzt. Der in dem Kopf integrierte Rotationsantrieb
ermöglicht die Behandlung exzentrisch angeordneter Bohrungen statisch
gelagerter Bauteile. Auch bei horizontalem Einsatz der Optik gewährleistet sie
einen vom Rotationswinkel unabhängigen, gleichmäßigen Pulverauftrag. Im
konkreten Anwendungsfall wurde die Drehoptik jedoch senkrecht mit einer
fünfachsigen Anlage in die Zylinderbohrungen eingeführt. Für den Einsatz der
drehbaren iClad®–Optik sprach das enorme Gewicht des Motorblocks aus
Gusseisen. Rund 700 Kilogramm bringt das Kraftpaket auf die Waage, was
seine Rotation um den Bearbeitungskopf ausschließt. Die exzentrischen
Bohrungen würden zudem massive Unwuchten erzeugen – mit höchst
problematischen Auswirkungen auf die erforderliche Präzision der Bearbeitung.
Eine Einzelzentrierung jedes Zylinders ist mit vertretbarem Aufwand nicht zu
realisieren. Der Öffnungsdurchmesser der Zylinderbohrungen beträgt 178
Millimeter, der untere zu beschichtende Bereich liegt in ca. 340 Millimetern
Tiefe und besteht aus einem ca. 60 Millimeter hohen Ringsegment.
Standardoptiken können in den Bohrungen nur schräg gestellt arbeiten, da die
Düsen an der Spitze des Bearbeitungskopfes angebracht sind. Hierdurch ist ihr
Einsatz trotz des Öffnungsdurchmessers von fast 180 Millimetern auf eine
Tiefe von etwa 40 Millimeter beschränkt. Die drehbare iClad®–Optik wird
senkrecht in die Zylinderbohrung eingeführt und kann die Innenflächen im 90°Winkel auf ganzer Fläche bearbeiten. Entscheidendes Argument für den
Einsatz der Drehoptik zum Auftragschweißen der Zylinderlaufflächen war
folglich neben der Rotationsfähigkeit und der schlanken Linie der Optik auch
die mögliche Bearbeitungstiefe von 500 Millimetern.
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In 5 Achsen zur perfekten Schicht
Der Aufbau der verschlissenen Zylinderauskleidung sollte auftragsgemäß am
oberen und unteren Totpunkt in einer Schichtdicke von > 1 Millimeter erfolgen.
Gefordert war das Auftragsschweißen einer Edelstahllegierung, die nicht nur
die
notwendige
Verschleißfestigkeit,
Korrosionsbeständigkeit
gegenüber
sondern
saurer
und
auch
basischer
eine
gute
Umgebung
gewährleistet. Die Zähigkeit des Werkstoffs, die Rissbildung beim Auftrag
verhindert, sowie die gute spanende Bearbeitungsmöglichkeit und minimale
Oberflächenporosität der Beschichtung sprachen überdies für die gewählte
Legierung. Die verschlissenen Bohrungen wurden zunächst beim Kunden von
LaserCo DT auf ein definiertes Maß abgedreht, um alle Verschleißspuren zu
beseitigen und eine ebene Oberfläche für das Laserauftragschweißen zu
schaffen.
Im ILT wurde der Motorblock zunächst auf eine Stützkonstruktion aus Stahl
gestellt, exakt senkrecht ausgerichtet und positioniert. Im nächsten Schritt
bauten das Team um Dr. Andreas Weisheit vom ILT und Stephan Kalawrytinos
von Pallas die drehbare Innenbearbeitungsoptik auf. Bearbeitet wurden die
beiden äußeren Zylinderbohrungen jeweils in den unteren beschädigten
Ringsegmenten. Die geforderte Schichtdicke wurde durch eine zweilagige
Beschichtung erreicht. Anhand eines eigens geschriebenen CNC-Programms
erfolgte in zwei sich überlagernden Drehbewegungen der fünfachsigen Anlage
der Schichtauftrag durch den Bearbeitungskopf. Beginnend am unteren Rand
in ca. 300 Millimetern Tiefe wurde die Fläche spiralförmig beschichtet. Als
Laserquelle wurde ein 3 Kilowatt-Nd:YAG-Laser verwendet.
Zufriedenstellendes Fazit eines zukunftsweisenden Versuchs
Dr. Andreas Weisheit zeigt sich sehr zufrieden mit dem Versuchsergebnis: „Die
technische Machbarkeit von Laserauftragschweißen in Zylinderbohrungen –
und das zu vernünftigen Kosten im Vergleich zu einer Neubeschaffung – wurde
eindeutig nachgewiesen!“ Die mit der drehbaren Innenkonturbearbeitungsoptik
iClad® aufgetragene Schicht weist eine sehr gute Oberflächenqualität auf. Gut
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bewährt hat sich nach seiner Einschätzung der Drehmotor für industrielle
Anwendungen. Auch nach mehreren Stunden Dauereinsatz habe er absolut
zuverlässig gearbeitet. Ein Erfolg, der für eine Vielzahl bislang unlösbarer
Reparaturen an teuren Hochleistungsmotoren und Antrieben wegweisend sein
dürfte. Stephan Kalawrytinos von Pallas sieht für die am Markt einzigartige
Innenkonturbearbeitungsoptik
mit
drehbarem
Beschichtungskopf
großes
®
Potenzial. „iClad ermöglicht durch die fünfachsige Bearbeitung verschlissener
Bohrungen deren präzise Instandsetzung zu vertretbaren Kosten und in bisher
unerreicht kurzen Zeitspannen.“
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Nähere Informationen:
Pallas GmbH & Co. KG
Adenauerstraße 17
D-52146 Würselen
Tel: +49 (0) 2405/4625-0
Fax: +49 (0) 2405/4625-111
E-Mail: info@pallaskg.de
www.pallaskg.de
Abdruck frei, Beleg bitte an:
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Ursula Herrling-Tusch
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