Additive Manufacturing erhöht die Lebensdauer von Sensoren

Das additive Fertigungsverfahren DMD (direct metal deposition) der Firma O.R. Lasertechnologie GmbH aus dem hessischen Dieburg ermöglicht durch laserbasierten Auftrag von Hartlegierungen den zuverlässigen Schutz für Sensorelemente.

Damit lässt sich deren Langlebigkeit deutlich steigern - zum Beispiel in Anlagen der Öl- und Gasindustrie.

Industriesensoren sind empfindliche Bauteile. Ihre Aufgabe besteht darin, präzise, dauerhaft und zuverlässig Temperaturen, Durchfluss und Druck zum Beispiel in Öl- und Gaspipelines zu überwachen. Gleichzeitig sind sie bei ihrem Einsatz großen Belastungen ausgesetzt. Durch eine Pipeline mit einem Meter Durchmesser strömen pro Tag etwa 1 Mio. Barrel Rohöl. Das entspricht 160.000 m³ Rohöl oder 1850 Liter pro Sekunde.

Bei Erdgaspipelines beträgt der Druck 100 Bar bei Onshore Leitungen, bei Offshore Leitungen kann er bis zu 200 Bar und mehr betragen. Sensoreelemente, die den Transport überwachen, sind einem hohen Verschleiß durch Korrosion und Abrieb ausgesetzt, was ihre Haltbarkeit verkürzt und zu teuren Reparaturen führt.

Das Pulverauftragschweißen, auch bekannt als DMD (direct metal deposition), bietet mit der innovativen Pulverdüse der Firma O.R. Lasertechnologie GmbH die Möglichkeit, den Einsatz der Sensoren deutlich zu verlängern. Die kompakte Laserschweißanlage EVO Mobile eignet sich vor allem für Verschleißschutz, Reparatur und Designänderung.

Das System arbeitet mit geringen Laserleistungen ab 200W, stellt jedoch, dank seiner Auftragsrate von bis zu 5000 mm³/h, die Lösung für eine Vielzahl von Applikationen dar. Das macht die Anlage hocheffizient bei gleichzeitig niedrigen Anschaffungskosten.

Die Idee für den Verschleißschutz von Sensoren besteht darin, sie mit einer Hartlegierung auf Cobalt-Chrom-Basis – sogenannte Stellite – zu beschichten und damit dauerhaft gegen Verschleiß zu schützen. Stellite sind extrem schwer zu bearbeitende, harte Legierungen.

Im konventionellen Verfahren werden sie in etlichen Schweißlagen in einer dicken Schicht von mehreren Millimetern aufgetragen. Dabei wird das Material des Sensors durch die hohe Hitzeeinwirkung stark durchmischt. Der Materialverbrauch steigt deshalb deutlich bei Anwendung des konventionellen Verfahrens.

Beim additiven Pulverauftragschweißen dagegen schmilzt der Laser nur minimal punktuell die Oberfläche des Sensors auf. Koaxial zum Laser wird das metallische Pulver, das eine Körnung von 45 bis 90 μm aufweist, aufgebracht und geht eine feste Verbindung mit der Objektoberfläche ein. Punktgenauer Materialauftrag, geringer Wärmeeintrag in das zu bearbeitende Material und eine verzug- und rissfreie Bearbeitung sind die Vorteile. Spurbreiten von 200μm bis 2mm sind möglich.

Die koaxiale Anordnung erlaubt eine von der Schweißrichtung unabhängige homogene Qualität des Materialauftrags, wodurch das Werkstück in jede Richtung gedreht werden und, sofern erforderlich, auch in drei Dimensionen "wachsen" kann. Die Laserparameter können auch noch während des Prozesses an geänderte Verhältnisse angepasst werden.

Um Oxidationen und winzige Blasenbildung zu verhindern, läuft der Vorgang unter Schutzgasatmosphäre mit dem Edelgas Argon ab. Das Ergebnis ist eine neuwertige Qualität der Bauteile, eine poren- und rissfeste Veredelung, endkonturnah und sauber. Der Sensor selbst wird bei diesem "minimal-invasiven" Verfahren kaum beeinflusst, seine Verschleißbeständigkeit jedoch erheblich verbessert.

Das Team der Forschungs- und Entwicklungsabteilung der O.R. Lasertechnologie GmbH entwickelte in einjähriger Forschungsarbeit gemeinsam mit dem Fraunhofer Institut die hocheffiziente, leicht installierbare Pulverdüse, die mit hoher Wiederholgenauigkeit und Automatisierbarkeit arbeitet.

"Wir sind stolz darauf, mit unserem additiven Laserverfahren die Haltbarkeit der Sensoren zu verbessern und damit die Sicherheit in der Gas- und Ölindustrie zu erhöhen", so Markus Wolf, Leiter Forschung und Entwicklung bei OR LASER. Die Anlagen werden komplett in Deutschland gefertigt, die Düse ist die erste Anlagenerweiterung ihrer Art, die eine Kombination von Draht- und Pulverauftragschweißen ermöglicht.

Neben Laserschweißsystemen werden bei OR LASER auch die passenden Steuerungskonzepte entwickelt. So kann über die CAD/CAM Softwarelösung ORLAS SUITE die Strategie auch für komplexe Geometrien programmiert und die Ausrichtung der Laserbahnen μ-genau gesteuert werden.

Als Zusatzkomponente ist eine Drehachse für das Einspannen des Werkstücks erhältlich, die eine volle 5-Achs CNC Bearbeitung ermöglicht und mit der das Potenzial der additiven Lasertechnologie voll ausgeschöpft werden kann.

Redaktion: Frank Lindner