Laserbeschichten von Presswalzen und Druckwalzen
Presswalzen in der Druck- und Papierindustrie arbeiten unter permanenter Flächenpressung, Reibung und chemischer Einwirkung. Verschleiß an der Walzenoberfläche führt zu Qualitätsverlusten im Druckbild, steigenden Wartungskosten und ungeplanten Produktionsstillständen. Das Laserbeschichten eröffnet einen grundlegend neuen Ansatz für den Oberflächenschutz dieser hochbeanspruchten Bauteile. EMAG LaserTec liefert dafür schlüsselfertige Produktionssysteme, die eine industrielle Serienbeschichtung von Presswalzen mit höchster Prozesssicherheit ermöglichen.
Welchen Herausforderungen unterliegen Presswalzen in der Druck- und Papierindustrie?
Walzen und Rollen in Druck-, Papier- und Verpackungsmaschinen müssen über ihre gesamte Ballenlänge eine gleichmäßige Oberflächenqualität aufweisen. Bereits geringfügige Abweichungen in der Topografie oder Rauheit wirken sich direkt auf die Druckdichte, die Farbübertragung und die Homogenität des Endprodukts aus.
Gleichzeitig sind die Walzenoberflächen enormen Belastungen ausgesetzt: hohe Linienpressungen zwischen den Walzenpaarungen, abrasiver Verschleiß durch Papier- und Kartonbahnen, Kontakt mit Druckfarben, Lösungsmitteln, Laugen und Waschwässern sowie thermische Wechselbeanspruchungen im Dauerbetrieb. Konventionelle Beschichtungsverfahren wie Hartverchromung oder thermisches Spritzen stoßen unter diesen Bedingungen an Grenzen – sei es durch eingeschränkte Korrosionsbeständigkeit, Mikrorissbildung oder unzureichende Haftung auf dem Grundwerkstoff.
Hinzu kommt der regulatorische Druck: Die europäische REACH-Verordnung schränkt den Einsatz von Chrom(VI)-Verbindungen in galvanischen Prozessen zunehmend ein. Betreiber und Hersteller von Druckmaschinen benötigen daher Beschichtungslösungen, die leistungsfähiger, langlebiger, korrosionsbeständig und gleichzeitig zukunftssicher sind.
Wie funktioniert das Laserbeschichten von Presswalzen?
Beim Laserbeschichten wird ein fokussierter Laserstrahl auf die rotierende Walzenoberfläche gerichtet. In die dabei entstehende Schmelzzone wird ein Metallpulver oder Draht gezielt eingebracht, aufgeschmolzen und mit dem Grundmaterial verschweißt. Das Ergebnis ist eine poren- und rissfreie Funktionsschicht, die über eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Walzenkörper verfügt.
Der Beschichtungsprozess erfolgt in einem einzigen Überfahrvorgang entlang der gesamten Walzenlänge. Dabei bewegt sich die Prozessoptik parallel zur Walzenachse, während das Werkstück rotiert – vergleichbar mit dem Prinzip einer Drehmaschine. Durch die präzise Steuerung von Laserleistung, Vorschub und Pulverzufuhr lassen sich Schichtdicke, Härte und Oberflächentopografie exakt an die jeweilige Anwendung anpassen.
Ein wesentliches Merkmal des Verfahrens ist der extrem begrenzte Wärmeeintrag. Die thermische Belastung konzentriert sich auf wenige Zehntel Millimeter unterhalb der Oberfläche. Dadurch bleiben Gefüge und Maßhaltigkeit des Walzenkörpers unverändert – ein entscheidender Faktor bei langen, dünnwandigen Walzen, die auf Verzug empfindlich reagieren.
Warum ist das Laserbeschichten dem thermischen Spritzen bei Walzen überlegen?
Thermisches Spritzen – etwa das HVOF-Verfahren – ist in der Druck- und Papierindustrie seit Jahren etabliert. Die dabei erzeugten Schichten bieten gute Härte und Abriebfestigkeit. Dennoch weist das Verfahren systembedingte Schwächen auf, die bei anspruchsvollen Walzenanwendungen zunehmend ins Gewicht fallen.
Schichtanbindung und Dauerfestigkeit
Thermisch gespritzte Schichten haften durch mechanische Verklammerung auf dem Grundwerkstoff. Unter zyklischer Belastung – wie sie bei Presswalzen im Dauerbetrieb auftritt – kann diese Verbindung ermüden. Schichtablösungen, sogenanntes Spalling, sind die Folge. Laserbeschichtete Oberflächen hingegen sind metallurgisch mit dem Substrat verbunden. Diese Schweißverbindung widersteht auch millionenfachen Lastwechseln ohne Delaminationsrisiko.
Materialausnutzung und Wirtschaftlichkeit
Beim thermischen Spritzen gehen bis zu 40 Prozent des eingesetzten Beschichtungsmaterials als Overspray verloren. Beim Laserbeschichten liegt die Materialeffizienz bei über 95 Prozent. Für Walzenhersteller und -betreiber bedeutet das: geringerer Rohstoffeinsatz, weniger Abfall und niedrigere Beschichtungskosten pro Quadratmeter Oberfläche.
Porosität und Oberflächendichte
Thermische Spritzschichten weisen verfahrensbedingt eine gewisse Restporosität auf. Über diese Mikroporen können Druckfarben, Lösungsmittel oder Feuchtigkeit an den Grundwerkstoff gelangen und Unterkorrosion verursachen. Das Laserbeschichten erzeugt vollständig dichte, porenfreie Schichten, die als geschlossene Barriere gegen chemische Medien wirken.
Welche Maschinenkonzepte bietet EMAG für das Laserbeschichten von Walzen?
ELC 1500 LMD und ELC 2700 LMD – Wellenbeschichtung bis 2,7 Meter
Die EMAG ELC LMD-Baureihe wurde gezielt für die Beschichtung langer, rotationssymmetrischer Werkstücke entwickelt. Der Maschinenaufbau basiert auf einem Spindelstock mit Antrieb, einer elektrischen Gegenspitze und einem hochpräzisen Positioniersystem für die Prozessoptik. Pulver- oder Drahtzuführung, Laserquelle, Kühleinheit und Absaugung sind vollständig in das Anlagenkonzept integriert.
Technische Daten der ELC LMD Baureihe:
| Parameter | ELC 1500 LMD | ELC 2700 LMD |
|---|---|---|
| Werkstücklänge max. | 1.500 mm | 2.700 mm |
| Werkstückdurchmesser max. | 1.000 mm | 1.000 mm |
| Werkstückgewicht max. | 2.000 kg | 2.000 kg |
| Zusatzwerkstoff | Pulver oder Draht | Pulver oder Draht |
Diese Maschinenplattform deckt das typische Abmessungsspektrum von Presswalzen in der Druck- und Papierindustrie ab. Für Sonderabmessungen entwickelt EMAG anwendungsspezifische Lösungen auf Anfrage.
Integrierte Sensorik und Prozessüberwachung
Die Beschichtungsqualität wird während des gesamten Prozesses durch integrierte Sensorsysteme überwacht. Diese Technologie stammt aus der Großserienfertigung von Bremsscheiben und wurde für die Walzenbeschichtung adaptiert. Schichtdicke, Temperaturverteilung und Prozessstabilität werden kontinuierlich erfasst und bei Bedarf automatisch nachgeregelt.
Für welche Walzentypen eignet sich das Laserbeschichten?
Das Verfahren eignet sich für rotationssymmetrische Bauteile mit hohen Anforderungen an Verschleißschutz, Korrosionsbeständigkeit und Oberflächengüte. In der Druck- und Papierindustrie betrifft das eine Vielzahl von Walzentypen.
02.
Farbübertragungswalzen und Rasterwalzen
Walzen, die Druckfarbe, Lack oder Klebstoff übertragen, benötigen eine definierte Oberflächentopografie. Das Laserbeschichten erzeugt eine homogene Grundschicht, die als ideale Basis für eine anschließende Lasergravur oder mechanische Strukturierung dient.
03.
Trocknungswalzen und Heizwalzen
In Trocknungssektionen herrschen Temperaturen von bis zu 200 °C und mehr. Thermische Wechselbeanspruchung in Kombination mit Feuchtigkeit und Chemikalien stresst die Walzenoberfläche erheblich. Die metallurgisch gebundene Laserschicht widersteht diesen Bedingungen, ohne sich vom Grundwerkstoff zu lösen.
04.
Leitwalzen und Umlenkwalzen
Auch Walzen mit geringerer mechanischer Belastung profitieren vom Laserbeschichten, insbesondere wenn sie in korrosiven Umgebungen eingesetzt werden – etwa in Nassbereichen von Papiermaschinen oder in Anlagen der Verpackungsindustrie, in denen aggressive Reinigungs- und Desinfektionsmittel zum Einsatz kommen.
Welche Vorteile bietet das Laserbeschichten speziell für Walzenanwendungen?
- Gleichmäßige Schichtqualität über große Längen
Die EMAG Laserbeschichtungsanlagen verarbeiten Walzen und Wellen bis zu 2.700 mm Länge bei Durchmessern bis 1.000 mm. Die integrierten Sensorsysteme überwachen den Beschichtungsprozess in Echtzeit und gewährleisten eine konstante Schichtdicke und -qualität über die gesamte Ballenlänge – eine Grundvoraussetzung für fehlerfreie Druckergebnisse.
- Vielfältige Werkstoffauswahl
Je nach Anforderungsprofil der Walze stehen unterschiedliche Beschichtungswerkstoffe zur Verfügung. Nickel-Basis-Legierungen bieten hervorragenden Korrosionsschutz in chemisch aggressiven Umgebungen. Kobalt-Basis-Legierungen vereinen hohe Härte mit Temperaturbeständigkeit. Eisenbasierte Legierungen mit eingelagerten Karbiden erzielen maximale Verschleißfestigkeit. Die Materialauswahl wird gemeinsam mit dem Kunden auf die spezifischen Betriebsbedingungen abgestimmt.
- Geringer Nachbearbeitungsaufwand
Die beim Laserbeschichten erzeugten Oberflächen sind bereits im Rohzustand gleichmäßig und glatt. Der anschließende Schleifprozess dient primär der Einstellung des Enddurchmessers und der geforderten Oberflächenrauheit. Aufwendiges Nacharbeiten entfällt weitgehend, was die Gesamtdurchlaufzeit einer Walze deutlich verkürzt.
Häufige Fragen zum Laserbeschichten von Presswalzen
- Können bestehende Walzen mit dem Laserverfahren nachbeschichtet werden?
- Welche Oberflächenrauheiten sind erreichbar?
- Wie verhält sich die Beschichtung bei thermischer Wechselbelastung?
- Wie wirkt sich das Laserbeschichten auf die Maßhaltigkeit der Walze aus?
- Für welche Losgrößen ist das Verfahren wirtschaftlich?
Ja, das Laserbeschichten eignet sich sowohl für die Neubeschichtung als auch für die Instandsetzung verschlissener Walzen. Vorhandene Altbeschichtungen werden vor dem Laserprozess entfernt, anschließend wird die neue Funktionsschicht direkt auf den Walzenkörper aufgetragen. Die metallurgische Anbindung an den Grundwerkstoff gewährleistet dabei die gleiche Schichtqualität wie bei einer Erstbeschichtung.
Durch den geringen Wärmeeintrag beim Laserbeschichten entsteht eine Schicht mit minimalen Eigenspannungen. Die metallurgische Verbindung zum Grundwerkstoff sorgt dafür, dass sich die Beschichtung auch bei wiederholten Temperaturzyklen nicht vom Substrat löst. Thermisches Spritzen bietet hier weniger Sicherheit, da die mechanische Verklammerung unter Temperaturwechselbelastung ermüden kann.
Die EMAG Laserbeschichtungsanlagen sind sowohl für Einzelstücke als auch für die Serienproduktion ausgelegt. Durch den hohen Automatisierungsgrad und die kurzen Zykluszeiten amortisiert sich die Anlage bereits bei mittleren Stückzahlen. Für Unternehmen, die Walzenbeschichtung als Dienstleistung anbieten, eröffnet das Verfahren zusätzlich neue Geschäftsfelder.
