ALOtec: Mobile Laserbearbeitung für den Bergbau

Beim Laserpulverauftragschweißen wird das Pulvermaterial unter Zuhilfenahme eines Schutzgases zum Fokuspunkt des Lasers transportiert. Dort schmilzt es auf und verbindet sich mit dem Substrat.

Immer dann, wenn in der Industrie übergroße Bauteile und Komponenten verschleißen, stellt sich die Frage, ob es wirtschaftlicher ist, sie zu reparieren oder zu ersetzen. Dabei scheint es logisch, dass eine Reparatur günstiger sein müsste. Ab einer gewissen Größe jedoch ist auch immer der Transport ein entscheidender Faktor. Muss man ein übergroßes Teil erst einmal an den Ort transportieren, an dem es instand gesetzt werden kann und später auch wieder zurück zum Einsatzort, so entstehen oft logistische Herausforderungen, die einen extrem hohen Aufwand bedeuten. Für Schwertransporte müssen Straßen gesperrt und zuweilen Brücken verstärkt oder gar abgebaut werden. Neben den Kosten benötigt das auch Zeit – viel Zeit!

Der größte Lagersitz, der in der Reparaturanwendung zu bearbeiten war, hatte einen Durchmesser von 1.700 mm und eine reine Bearbeitungszeit von 290 Minuten.

Die Lösung kommt zum Problem

„Diesem Problem kann man damit begegnen, dass man die Reparatur vor Ort vornimmt. Bei extrem großen Bauteilen besteht jedoch häufig die Schwierigkeit, dass die erforderlichen Maschinen selbst auch zu groß sind, um an den Einsatzort gebracht zu werden“, weiß Dr.-Ing. Clemens Kuhn, Geschäftsführer der ALOtec Dresden GmbH. Das in Kesselsdorf bei Dresden (D) ansässige Unternehmen beschäftigt sich seit 1998 mit den Themen Laserauftragschweißen und Laserhärten und bietet dafür sowohl Anlagen als auch Dienstleistungen an. Für die Systeme kommen Industrieroboter zum Einsatz und als Energiequelle dient ein bis zu 10 kW starker Diodenlaser. Alternativ kann auch eine Lichtbogenquelle genutzt werden. Für einen Materialauftrag steht neben Pulverwerkstoffen auch Draht als Zuschlagsstoff zur Verfügung. „Für uns ist es wichtig, beim Auftragschweißen die passende Kombination aus Energiequelle und Zuschlagsmaterial zu wählen. Jede Variante birgt ihre verfahrensspezifischen Vor- und Nachteile. Da ist es einfach wichtig, die exakt auf die Anwendung abgestimmte Kombination zu wählen, um bestmögliche Ergebnisse zu erzielen“, präzisiert der Geschäftsführer.

Der Schwerpunkt lag bei ALOtec zunächst auf stationären Systemen, die perfekt auf die jeweilige Anwendung abgestimmt wurden. Dabei handelt es sich um Anlagen mit bis zu zehn unabhängigen Achsen. „Damit sind wir in der Lage, so ziemlich jede beliebige Geometrie abzubilden, ob beim Auftragschweißen oder auch beim Laserhärten“, so Kuhn weiter.

Laserauftragschweißen wird mobil

Aufgrund einer Anforderung aus dem Markt wurde 2009 damit begonnen, eine modulare Variante für die ALOtec-Lösungen zu entwickeln, die auch eine mobile Nutzung erlaubt. Die unter dem Namen ALOhybrid vermarktete Systemkombination besteht aus einer fernsteuerbaren Raupenlafette, auf die ein Industrieroboter aufgesetzt wurde, der wiederum den Auftragskopf trägt. Über eine 15 m lange Energiekette wird das Gefährt mit der Medienstation verbunden. Dadurch sind sämtliche staubempfindliche Komponenten wie Kühler, Steuerung, Laser und Monitor nicht dem direkten Laserbetrieb ausgesetzt. Das Besondere an der mobilen Lösung ist ihre extrem kompakte Bauweise. Der Footprint beträgt für den fahrbaren Teil im Ruhezustand gerade einmal 800 x 1.200 mm, also das Format einer Europalette, und passt somit auch durch die meisten Türen. Mit wenigen Handgriffen kann die Robotereinheit von der Lafette auf eine Lineareinheit oder direkt auf das zu bearbeitende Teil gesetzt werden. Dadurch wird das ALOhybrid-System zum idealen Werkzeug, wenn es darum geht, Reparatur- oder Härteanwendungen an schwer zugänglichen Orten durchzuführen oder aber Komponenten bearbeitet werden müssen, die aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichts zu aufwendig zu transportieren wären.

Teileinstandsetzung im Großformat

So kam die Lösung auch bei einer Reparatur im Bergbaubereich zum Einsatz, bei der ein ca. 80 Tonnen schweres Bauteil bearbeitet werden musste. Mehrere Lagersitze im Getriebegehäuse eines Baggers waren verschlissen, wobei der größte Lagersitz einen Durchmesser von 1.700 mm aufwies. Das Hauptproblem war das sehr enge Zeitfenster, in dem das Getriebegehäuse instand gesetzt werden musste. Die zur Verfügung stehenden sechs Tage hätten nicht ausgereicht, das riesige Bauteil zu einer Auftragschweißanlage zu transportieren, nachzubearbeiten und wieder zurück zum Einsatzort zu bringen. In der Anwendung musste auf einen S355 unlegierten Baustahl eine 1.4404 CrNi-Stahl Verschleißschicht aufgebracht werden. Dabei wurde als Auftragsvariante das Laserpulverauftragschweißen gewählt und der Roboter mit dem Auftragskopf auf dem Raupenfahrwerk an das Bauteil herangeführt.

„Materialtechnisch war diese Anwendung relativ problemlos. Allerdings musste bei der Positionierung besonders exakt gearbeitet werden, weswegen für die Positionierung der jeweils ersten Bahn ein Teaching mit Hilfe des Pilotlasers und des Tool-Center-Points vorgenommen wurde. Anschließend wurde diese Bahn mit Hilfe vordefinierter Makros (Programmierassistent) bis auf die Fertigungsbreite vervielfältigt und eine Mäanderbahn erstellt, um eine ideale Abdeckung der gesamten Lagerfläche zu realisieren. Diese wurden anschließend in Spurbreiten von 3,8 mm bis auf eine Schichtstärke von einem Millimeter aufgetragen“, erläutert Lukas Olawsky, Forschungsingenieur und Projektleiter bei ALOtec die Projektdetails. Geschützt wurde der Arbeitsbereich über mobile Laserschutzwände, um ein Abstrahlen des mit 2,5 kW betriebenen Lasers in die Umgebung zu verhindern. Vier Kameras überwachten den Fertigungsprozess, womit ein gleichmäßiger Materialauftrag über die gesamte Bearbeitungszone erzielt wurde. Nach dem Materialauftrag wurden die Lagersitze in einem Folgeprozess mit einem mobilen Spindelwerk auf Nennmaß ausgedreht.

Wieder zurück im heimischen Kesselsdorf wurde die Anlage auf die zugehörige Lineareinheit ummontiert und dort für weitere Dienstleistungsprojekte stationär eingesetzt. Die Möglichkeiten die ALOhybrid-Lösung zu nutzen, erstreckt sich dabei nicht nur auf flächige Anwendungen wie die geschilderten Lagersitze, auch komplexe dreidimensionale Objekte können mit der Anlage erzeugt werden, wie dies zum Beispiel bei Werkzeugen für die Automobilindustrie der Fall ist. „Durch unsere hochflexible Lösung können wir eine Vielzahl von Anwendungsszenarien abbilden. Durch die Mobilität ist es möglich, auch ortsunabhängig und damit mit geringem logistischen Aufwand auch große Teile zu bearbeiten. Wir freuen uns schon auf die nächsten Aufgaben“, fasst Kuhn zusammen und lädt ein, ALOtec herauszufordern.

ALOtec auf der Formnext: Halle 12.0, C69