Ziel der Entwicklung

Im Formen- und Werkzeugbau verschleißen Werkzeuge aus Sonderstählen durch intensive Nutzung häufig, was zu hohen Kosten und langen Stillstandszeiten führt. Die Reparatur herkömmlicher Werkzeuge ist zeitaufwändig und energieintensiv, da insbesondere schwer schweißbare Sonderstähle nur unter aufwendiger Vorwärmung bis zu 700 °C instandsetzbar sind. Dieses Vorgehen reduziert die Wirtschaftlichkeit und schränkt die Flexibilität von Unternehmen im Werkzeugbau erheblich ein. Zudem stehen für händische Reparaturen immer weniger qualifizierte Fachkräfte zur Verfügung. Dieses Problem wird in der Zukunft durch den demografischen Wandel weiter verschärft.
Aus der industriellen Praxis ergibt sich daher ein klarer Bedarf an effizienten, reproduzierbaren und teilautomatisierten Reparaturmethoden, die den manuellen Aufwand verringern und gleichzeitig eine hohe Qualität der reparierten Bauteile gewährleisten. Besonders kleine und mittelständische Unternehmen sehen in digitalen und automatisierten Reparaturprozessen auf Basis additiver Fertigungstechnologien eine Chance, ihre Wettbewerbsfähigkeit langfristig zu sichern.
Das vorliegende Forschungsvorhaben zielt darauf ab, Strategien für eine wirtschaftlich und fertigungstechnisch optimierte Reparaturschweißung von Sonderstählen mittels Laserauftragschweißen mit Draht (engl. directed energy deposition – laser beam with wire; DED-LBw) zu entwickeln. Dabei sollen Prozessparameter identifiziert werden, die eine vorwärmungsfreie Reparatur ermöglichen und damit herkömmliche handgeführte Laserschweißprozesse ersetzen können. Zentrale Untersuchungsaspekte sind die geometrische Klassifizierung des Schadensbereichs, die Auswahl geeigneter Bahn- und Schweißparameter sowie die Planung mit modernen rechnergestützten Fertigungsmethoden (eng. computer-aided manufacturing; CAM-Methoden) unter Berücksichtigung des Werkstoffverhaltens und der Temperaturführung.
Langfristig soll das Projekt praxisorientierte Handlungsempfehlungen für die automatisierte Reparatur von Formwerkzeugen aus schwer schweißbaren Sonderstählen bereitstellen. Dadurch werden nicht nur technische Machbarkeit und hohe Reparaturqualität nachgewiesen, sondern auch ein wesentlicher Beitrag zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit und Wettbewerbsfähigkeit des Werkzeugbaus geleistet.

Vorteile und Lösungen

Zu Beginn des Forschungsvorhabens wurden typische Fehler- und Schadensbilder an real eingesetzten Werkzeugformen systematisch erfasst und analysiert. Diese Schadensanalyse bildete die Grundlage für die Einteilung und Klassifizierung der Defektarten. Auf dieser Basis konnten gezielte Versuchsreihen definiert werden, um die Reparaturprozesse praxisnah abzubilden. Parallel dazu wurden Referenzproben aus den jeweiligen Grundwerkstoffen hergestellt, um die Ergebnisse der additiven Reparaturverfahren später objektiv bewerten zu können.
Im Anschluss erfolgte die schrittweise Entwicklung und Optimierung eines Reparaturprozesses mittels DED-LBw. Ziel war es, eine wirtschaftlich und fertigungstechnisch optimierte sowie vorwärmungsfreie Reparaturstrategie für schwer schweißbare Sonderstähle zu etablieren. Im Fokus standen dabei die wesentlichen Einflussgrößen auf die Prozessstabilität und Schweißqualität, insbesondere die Bahnplanung, Laserleistung, Drahtfördergeschwindigkeit, Heißdrahtstromstärke und Schweißgeschwindigkeit. Durch iterative Versuchsreihen und gezielte Anpassungen der Anlagentechnik konnte ein stabiler, reproduzierbarer und energieeffizienter Prozess entwickelt werden.
Ein zentraler Bestandteil des Lösungsansatzes war die Nachbildung realer Geometrien. Dafür wurden Vergleichskörper konstruiert, die den tatsächlichen Werkzeugbereichen hinsichtlich Form, Material und Belastung möglichst genau entsprachen. Diese Bauteile ermöglichten eine realitätsnahe Bewertung und Optimierung der Prozessparameter. Anschließend wurden die additiv regenerierten Bereiche umfassend mit den jeweiligen Grundwerkstoffen verglichen.
Zur Bewertung der erzielten Ergebnisse kamen verschiedene werkstofftechnische Prüfverfahren zum Einsatz, darunter Makroschliffanalysen, Härteprüfungen, Zug- und Kerbschlagbiegeversuche sowie Dauerschwingversuche. Ergänzend wurden thermographische Aufnahmen während des Schweißprozesses durchgeführt, um die Wärmeverteilung und Prozessstabilität zu überwachen. Die Untersuchungen zeigten, dass mit dem optimierten DED-LBw Bauteileigenschaften erreicht werden konnten, die den Eigenschaften der Grundwerkstoffe sehr nahekommen.
Im Vergleich zu konventionellen Verfahren ergaben sich deutliche Vorteile. Das Metall-Schutzgasschweißen (MSG) erwies sich bei diesen Sonderstählen als ungeeignet, da selbst mit Vorwärmung Risse und Poren entstanden. Das Handlaserschweißen lieferte zwar technisch zufriedenstellende Ergebnisse, war jedoch aufgrund der geringen Auftragsraten wirtschaftlich nicht konkurrenzfähig. Das entwickelte DED-LBw-Verfahren ermöglicht dagegen eine teilautomatisierte, vorwärmungsfreie und reproduzierbare Reparatur mit deutlich höherer Prozesssicherheit und Wirtschaftlichkeit.
Neben den technologischen Verbesserungen bietet der entwickelte Ansatz auch wirtschaftliche und organisatorische Vorteile. Durch den Wegfall der energieintensiven Vorwärmung werden sowohl Kosten als auch CO₂-Emissionen reduziert. Die automatisierte Prozessführung verringert den Bedarf an hochqualifiziertem Schweißpersonal, was insbesondere im Hinblick auf den zunehmenden Fachkräftemangel von großer Bedeutung ist. Darüber hinaus verbessern sich Arbeitssicherheit und Ergonomie erheblich, da manuelle Schweißarbeiten unter hohen Temperaturen entfallen.
Langfristig führt das Projekt zu einem praxisorientierten Leitfaden für die automatisierte, CAM-gestützte Reparatur von Formwerkzeugen aus schwer schweißbaren Sonderstählen. Die Verbindung aus wirtschaftlicher Effizienz, technischer Reproduzierbarkeit und nachhaltigem Ressourceneinsatz leistet einen wichtigen Beitrag zur Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit kleiner und mittlerer Unternehmen im Werkzeug- und Formenbau.

Zielgruppe und Zielmarkt

Das entwickelte laserbasierte Reparaturverfahren richtet sich primär an Unternehmen aus dem Werkzeug- und Formenbau, insbesondere an Hersteller und Betreiber von Druckguss- und Spritzgusswerkzeugen. Darüber hinaus zählen Unternehmen zu den Zielgruppen, die sich auf die Instandsetzung und Reparatur von Werkzeugformen oder anderen stark beanspruchten Oberflächen spezialisiert haben. Diese können das Verfahren künftig in ihr Dienstleistungsportfolio integrieren und damit ihr Angebot erweitern. Auf internationaler Ebene bestehen Marktpotenziale insbesondere in industriestarken Regionen mit ausgeprägter Gieß- und Kunststoffverarbeitung.
Anwendende Unternehmen profitieren unmittelbar von einer signifikanten Kosten- und Zeitersparnis. Während die Anschaffung neuer Werkzeuge je nach Komplexität und Material bis in den fünfstelligen Bereich reichen kann, belaufen sich die Reparaturkosten in der Regel auf lediglich 5–30 % dieser Beträge. Zudem verkürzen sich die Stillstandzeiten erheblich, da Reparaturen deutlich schneller durchgeführt werden können als eine vollständige Neufertigung. Das Verfahren zeichnet sich durch einen geringen Wärmeeintrag, eine präzise Prozessführung und eine hohe Oberflächenqualität aus, was eine hervorragende Bauteilintegrität gewährleistet. Neben den ökonomischen Vorteilen ergeben sich ökologische Mehrwerte durch einen reduzierten Material- und Energieverbrauch sowie einen geringeren CO₂-Fußabdruck.
Der Wissenstransfer in die Industrie erfolgt über verschiedene Kanäle, darunter Schulungen, Weiterbildungen, Fachveranstaltungen sowie bilaterale Kooperationen mit Anwenderunternehmen. Darüber hinaus werden die erzielten Forschungsergebnisse in praxisnahe Demonstratoren und Pilotanwendungen überführt, um eine direkte Implementierung in industrielle Prozesse zu ermöglichen. Spezialisierte Reparaturbetriebe und Oberflächentechnikunternehmen können auf Basis der Ergebnisse eigene laserbasierte Reparaturdienstleistungen entwickeln und am Markt etablieren.
Für die SLV Halle GmbH werden innerhalb der ersten fünf Jahre nach Projektabschluss deutliche wirtschaftliche Effekte erwartet. Diese ergeben sich aus dem Aufbau neuer Kompetenzen und einer Wissensanreicherung im Bereich der laserbasierten Reparaturschweißung. Gleichzeitig eröffnen sich neue Marktsegmente, insbesondere im Bereich der industriellen Instandhaltung und des Werkzeugservice. Langfristig trägt das Verfahren zur Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit und zur Positionierung der Einrichtung als Innovationsführer im Bereich laserbasierter Reparaturprozesse bei.
Bereits in Pilotprojekten konnten beschädigte Druckguss- und Spritzgussformen erfolgreich instandgesetzt werden, wobei bislang keine Reintegration in eine Fertigung erfolgte. Diese Anwendungsbeispiele verdeutlichen das hohe Potenzial des Verfahrens in Bezug auf Wirtschaftlichkeit, Qualität und Nachhaltigkeit.