Produktionsanlage zur umweltschonenden Herstellung von beschichteten Bremsscheiben – ein Beitrag zur Reduktion von Feinstaub und CO₂-Emissionen im Straßenverkehr („Low Emission Brake“)

Die GOTEC Group ist ein großer Automobilzulieferer mit dem Schwerpunkt im Bereich der Beschichtung von Bauteilen. Die Unternehmensgruppe mit Hauptsitz in Wülfrath (Nordrhein-Westfalen) produziert weltweit an 17 Standorten ca. 6 Millionen Teile täglich. Mit dem 2020 gegründeten Tochterunternehmen GOTEC Brake Disc Coatings GmbH wurde der Geschäftsbereich zur Herstellung von hartstoffbeschichteten Bremsscheiben aufgebaut. Im Rahmen des Vorhabens die erste Produktionsanlage auf Basis des EHLA-Verfahrens (Extremes Hochgeschwindigkeits-Laserauftragsschweißen) zur serienmäßigen Beschichtung von Bremsscheiben in Betrieb genommen.

Bis heute werden beschichtete Bremsscheiben in klassischen Fertigungsfolgen (Auftrag einer Galvanischen Zwischenschicht und anschließende Beschichtung mittels HVOF-Verfahren (Hochgeschwindigkeitsflammspritzen) mit äußerst hohem Ressourceneinsatz hergestellt. Die bei der Herstellung emittierten Schadstoffe überschatten die ökologischen Vorteile in der Anwendung dabei erheblich.

Ziel des Vorhabens war die Industrialisierung des EHLA-Prozesses sowie der Nachweis seiner signifikant höheren Effizienz im Vergleich zu konventionellen Beschichtungsverfahren. Im Fokus stand dabei insbesondere die erhebliche Reduktion von Material- und Energieverbräuchen (Reduktion des CO₂-Äquivalentes um über 70 Prozent). Der Beschichtungsprozess basiert auf dem von der RWTH Aachen und der Fraunhofer-Gesellschaft entwickelten Verfahren des Extrem Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen. Im Gegensatz zum klassischen Laserauftragsschweißen (LMD) wird beim EHLA-Verfahren die Energie des Laserstrahls nicht primär in das Substrat eingebracht, um dort ein Schmelzbad zu erzeugen, in dem das Zusatzmaterial aufgeschmolzen wird. Stattdessen wird der Laserfokus leicht oberhalb der Substratoberfläche positioniert. Dies führt zu einer veränderten Wärmebilanz: Die Energieeinbringung erfolgt primär in das Zusatzmaterial im Pulvergasstrahl, das bereits im Laserfokus, also oberhalb des Werkstücks, aufgeschmolzen wird. Das Substrat selbst wird dabei lediglich so weit erhitzt, dass es lokal anschmilzt und eine schmelzmetallurgische Verbindung mit dem Beschichtungsmaterial eingeht. Durch dieses Verfahren können die für beschichtete Bremsscheiben erforderlichen dünnen Schichten technisch realisiert werden.

Das konventionelle HVOF-Verfahren benötigt für die Beschichtung einer Referenzbremsscheibe (Typ 415 x 40) ca.:

• 17,5 Kilowattstunden Strom,
• 3,3 Kubikdezimeter Kerosin,
• 7,2 Kubikmeter Sauerstoff und
• 1.139 Gramm Material,

was einem CO₂-Äquivalent von 26,89 Kilogramm entspricht.

Im Rahmen des Vorhabens konnten die Energie- und Materialbedarfe für die Beschichtung einer Referenzbremsscheibe (Typ 415 x 40) mittels EHLA-Verfahren auf:

• 1,54 Kilowattstunden Strom,
• 0,194 Kubikmeter Argon und
• 678 Gramm Material 

reduziert werden. Dies entspricht einem CO₂-Äquivalent von 2,89 Kilogramm und damit einer Reduktion von 89 Prozent gegenüber einer Fertigung durch das konventionelle HFVO-Verfahren. Die maximal realisierbaren jährlichen Umweltentlastungen belaufen sich auf 1.826,58 Tonnen CO₂-Äquivalent.

Es zeichnet sich ab, dass mit der Projektumsetzung ein hoher Modellcharakter erzielt werden konnte und das EHLA-Verfahren von sämtlichen führenden Automobilherstellern als die bevorzugte Technologie zur Herstellung von beschichteten Bremsscheiben angesehen wird. Derzeit existieren bereits ein Dutzend Maschinenbauunternehmen die EHLA-fähige Anlagen entwickeln. Ebenfalls kann das Verfahren auch zur Herstellung von Bauteilen in weiteren verschleißkritischen Anwendungen zum Einsatz kommen (z.B. in der Windkrafttechnik oder für die Beschichtung von Walzen in der Stahl- und Papierindustrie).