Laser-basierte lokale Oberflächenvorbereitung von Schutzbeschichtungen im Stahlbau

Abstract

Insbesondere bei älteren Stahlkonstruktionen oder Stahloberflächen im maritimen Bereich treten häufig Korrosionsschäden auf. Konventionelle mechanisch basierte Verfahren, wie das Partikelstrahlen mit Luftdruck oder das Drahtspannstrahlen, sind in der Anwendung sehr aufwändig. Der Grund hierfür liegt darin, dass Korrosionsprodukte und Altbeschichtungen, die häufig persistente umweltgefährdende Stoffe enthalten, nicht in die Umwelt gelangen dürfen. Dies erfordert zunächst eine Einhausung vor dem einem körperlich herausfordernden Korrosionsabtrag, verbunden mit enormer Staub- und Lärmemission. Aufgrund der Redeposition oder des mechanischen Einbringens von Salz auf oder in die Oberfläche sind Spülschritte erforderlich, um die geforderten Qualitäten gemäß DIN 12944 für die anschließenden Reparaturbeschichtungen zu erreichen. Lokal einsetzbare Methoden wie das Schleifen oder Drahtspannstrahlen (Bristle-Blasting) erzielen dabei nur geringe Oberflächenrauheiten, welche die Haftung von Reparaturbeschichtungen determinieren. Daher zielte das Projekt LaserRep mit der „Laserbasierten lokalen Oberflächenvorbereitung von Schutzbeschichtungen im Stahlbau“ auf die Erforschung eines alternativen, weniger aufwändigen Behandlungskonzepts ab (siehe Abbildung 1). Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass im Rahmen des Projekts LaserRep eine laserbasierte Methode entwickelt wurde, die im Vergleich zu mechanischen Verfahren eine um eine Größenordnung geringere Salzkontamination erreicht. Zudem wurden Laserparameter ermittelt, die den von der ISO 12944 geforderten Rz-Wert von 70 μm erzielen. Die lasereigenen dynamischen Aufschmelz- und Erstarrungskinetiken ermöglichen dabei zusätzlich die Erzeugung hinterschnittiger Oberflächenstrukturen, die mit konventionellen mechanischen Verfahren nicht erreicht werden können (siehe Abbildung 2). Diese einzigartigen, hinterschnittigen Strukturen, kombiniert mit der exzellenten Reinigungswirkung der Lasertechnik, resultieren in einem herausragenden Korrosionsschutz. Sowohl in der künstlichen Alterung im Klimawechseltest nach ISO 12944-9 als auch in einer zweijährigen Feldauslagerung auf Helgoland zeigten die mittels Laser aufbereiteten Prüfkörper eine minimale Unterrostung von 0 bis 1,5 Millimetern im Vergleich zu 18 mm bei Drahtspannstrahlen und 30 mm bei der Aufbereitung mittels Schleifen (siehe Laserparameter 1, in Abbildung 3 und Abbildung 4). Selbst der Goldstandard in der Oberflächenbehandlung von Stahloberflächen, das Gritblasting (Partikeldruckluftstrahlen mit Schlacke), mit einem Rz-Wert von 100 μm und einer Salzbedeckung von 0 mg/m², zeigte einen höheren Korrosionsfortschritt (siehe Abbildung 4). Im Rahmen des Projekts wurden Skalierungsexperimente mit industrietauglichen kW-Lasersystemen bei den Projektpartnern durchgeführt, die neben einer Aufwandseinsparung auch einen ca. doppelt so schnelleren Korrosionsabtrag im Vergleich zu konventionellen mechanischen Verfahren ermöglichen. Zusätzlich wurde das Vakuumsaugstrahlen (VSS), ein emissionsfreies Verfahren, untersucht und mit den Laserbehandlungen sowie den konventionellen Techniken verglichen. Zu diesem Zweck entwickelte ein Industrievertreter eine Testanlage, die hinsichtlich Taktzeit und Korrosionsschutz mit den gängigen Verfahren konkurriert. Die umfangreichen Prüfungen umfassten neben der Naturauslagerung auch aufwändige halbjährliche Klimawechseltests gemäß ISO 12944-9. Insgesamt wurden über 160 Probeplatten hergestellt, künstlich korrodiert und aufwändigen Lackhaftungstests gemäß ISO 4624 unterzogen, um den Korrosionsfortschritt zu messen. Aus den umfassenden Untersuchungen ergaben sich Empfehlungen für die zukünftige ISO 8504-Norm zur Vorbereitung von Stahloberflächen mit dem Laser. Durch diese Maßnahmen erhöht das Projekt die Wettbewerbsfähigkeit von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) durch abgeleitete Handlungsempfehlungen für die Umsetzung der Laserreinigung von Korrosionsschäden. Darüber hinaus resultierte aus dem Projekt eine Patentanmeldung (WO23237723) zur laserbasierten Detektion von Salzkontaminationen, welche die Innovationskraft des Projekts unterstreicht.