Das fertig beschichtete Generation 3 Radlagereinheit von ILJIN: Die EHLA-Funktionsschicht sitzt auf der Ringfläche, an der im Fahrzeug die Schnittstelle zur Antriebswelle entsteht. Sie verändert die Kontaktfläche gezielt, ohne ein zusätzliches Bauteil in den engen Bauraum einzubringen.

Beim Extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen EHLA wird Metallpulver im Laserstrahl aufgeschmolzen und als dünne Funktionsschicht auf das Bauteil aufgetragen. Für die Anwendung am Radlager war entscheidend, dass der Beschichtungsprozess kosten-günstig und effizient ist und nur wenig Wärme in das Grundmaterial einbringt.

Im Querschliff wird sichtbar, wie dünn die aufgetragene Funktionsschicht ist. In der Machbarkeitsstudie untersuchte das Fraunhofer ILT verschiedene Beschichtungswerkstoffe, Prozessstrategien und Verfahrensparameter, um die Beschichtung an das sicherheitskritische Radlager anzupassen.

Ein Elektroauto fährt fast lautlos an. Die starke Geräuschreduktion der Antriebstechnologie macht akustische Phänomene hörbar, die zuvor unbemerkt blieben. Knacken, Knirschen oder metallisches Klicken fallen im Innenraum deutlich stärker auf, gerade an Schnittstellen der Kraftübertragung, etwa zwischen Radlagereinheit und Antriebswelle.

Adam Dmytryszyn ist Wheel Bearing R&D Director Europe beim südkoreanischen Automobilzulieferer und Radlagerspezialisten ILJIN. Sein Entwicklungsteam unterstützt Projekte für europäische Kunden und sucht ständig nach neuen Fertigungsverfahren mit Potenzial für die Serienfertigung. Bei ILJIN rückte dabei das sogenannte Ping-Noise-Phänomen in den Fokus: ein NVH-Problem (Noise, Vibration, Harshness), das bei vielen modernen Fahrzeugen auftritt.

ILJIN zählt zu den weltweit größten Anbietern von Radlagern und fertigt solche Komponenten in hochautomatisierten Linien in Millionenstückzahlen. Ausgehend von den Anforderungen und in enger Abstimmung mit ILJIN entwickelte das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT eine EHLA-Beschichtung, welche die Kontaktbedingungen an der Radlagereinheit gezielt verändert. EHLA steht für Extremes Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen. Das Fraunhofer ILT hat diese besonders wirtschaftliche und materialschonende Beschichtungstechnologie entwickelt.

»Das Geräusch entsteht nicht, weil ein Bauteil bricht oder sich löst, was manche vermuten, wenn sie es hören. Es entsteht, weil an der Kontaktfläche zwischen Radnabe und Gleichlaufgelenk sehr hohe Kräfte auftreten«, erklärt Dmytryszyn. Beim Anfahren oder Rekuperieren wirkt bei Elektrofahrzeugen ein sehr hohes Drehmoment; es verformt die Antriebswelle minimal. Dadurch haften die beiden Stahlflächen an der Schnittstelle zunächst aneinander, gleiten dann ruckartig und haften wieder. Dieser Stick-Slip-Effekt setzt in Sekundenbruchteilen Energie frei, die im Fahrzeug wahrnehmbare Vibrationen und Geräusche erzeugt.

Technisch handelt es sich nur um eine winzige Relativbewegung. Im Fahrzeug klingt sie jedoch wie ein hartes metallisches Knacken, also wie Ping-Noise. Bei Elektrofahrzeugen tritt dieser Effekt stärker in den Vordergrund. Sie liefern hohe Drehmomente schon aus dem Stand und fahren zugleich so leise, dass selbst kurze Impulse aus dem Fahrwerk stören.

Genau hier stoßen klassische Gegenmaßnahmen an Grenzen. »Schmierfette mindern das Reiben kurzfristig, werden aber im Betrieb verdrängt und verlieren mit der Zeit ihre Wirkung«, erläutert der Radlager-Experte. »Zusätzliche Scheiben mit reibarmen Beschichtungen bringen neue Bauteile in eine ohnehin enge Schnittstelle, erhöhen Aufwand und Kosten und verändern den Bauraum. Zusätzlich können sie PFAS-haltige Materialien enthalten, die als umweltschädlich gelten.«

Für ein Radlager, das millionenfach gebaut wird und zugleich sicherheitsrelevant ist, reicht ein Ansatz nicht aus, der nur im Versuch funktioniert oder einzelne Störgeräusche überdeckt. ILJIN suchte eine Lösung, die den hohen Qualitäts- und Kostenansprüchen entspricht und sich nahtlos in die bestehende Produktion einfügt. Aus einem akustischen Problem der Kunden wurde damit eine Frage von Design, Werkstoff und Prozess: Welche Funktionsschicht verändert die Kontaktfläche so, dass das Geräusch verschwindet, ohne das Bauteil selbst zu schwächen?

Den entscheidenden Impuls bekam Adam Dmytryszyn nicht in einem klassischen Automotive-Projekt, sondern beim Blick über den eigenen Tellerrand. Auf der Hannover Messe 2023 sah er eine EHLA-Anwendung des Fraunhofer ILT, bei der eine dünne metallische Schicht mit hoher Präzision aufgetragen und simultan zerspanend nachbearbeitet wurde. Eigentlich ging es dort um ein Gleitlager für Windkrafträder. Für ihn zählte aber sofort der technische Kern: eine dünne, belastbare Schicht mit geringer Oberflächenrauheit, metallisch angebunden, mit sehr geringer Wärmeeinwirkung und hoher Prozessgeschwindigkeit. Genau diese Mischung passte zum Problem an der Radlager-Schnittstelle.

Aus dem Messekontakt entstand ein Entwicklungsprojekt. ILJIN brachte das Bauteil, das Systemwissen und die Anforderungen aus der Automobilproduktion ein. Aus der funktionellen Definition des Anwendungsfalls leiteten ILJIN und das Fraunhofer ILT gemeinsam Randbedingungen für die Beschichtung ab: Werkstoff, Schichtdicke, Wärmeeinflusszone und Oberflächenqualität.

Am Fraunhofer ILT übernahmen Viktor Glushych, Gruppenleiter Beschichtung LMD und Wärmebehandlung, und Projektleiter Eduard Weisser die Aufgabe, daraus einen robusten und effizienten EHLA-Prozess zu entwickeln. Das ILJIN-Team konnte mit technischen Fragen direkt auf das Fraunhofer ILT-Team zugehen, Prozessverständnis aufbauen und die nächsten Schritte von der Musterteilfertigung bis zur seriennahen Anwendung gemeinsam mit den Aachener Fachleuten ableiten.

In der Machbarkeitsstudie zeigte sich schnell, dass der Ansatz nicht nach dem Prinzip »Werkstoff auswählen, Schicht auftragen, Problem gelöst« funktioniert. Eine metallische Schicht auf ein Bauteil aufzubringen, ist nur der erste Schritt. Entscheidend war die fachliche Tiefe, mit der das Team des Fraunhofer ILT den Prozess auf die konkrete Anwendung auslegte: auf das Bauteil, die Oberfläche, den Pulverwerkstoff, die Prozessparameter, die Schichtdicke und die Energiebilanz. Erst aus diesem Zusammenspiel entstand eine Beschichtung, die nicht nur haftet, sondern unter realen Lasten funktioniert und sich für einen industriellen Prozess eignet. Das Fraunhofer ILT-Team untersuchte systematisch verschiedene Schichtvarianten, prüfte die Anbindung an den Lagerstahl, ermittelte Härte und Wärmeeinflusszone und übertrug den Prozess Schritt für Schritt vom einfachen Muster auf das reale Radlager.

ILJIN testete und verglich die vom Fraunhofer ILT hergestellten Versuchsmuster. Dafür verfügt ILJIN in Deutschland über ein Prüffeld, in dem das Unternehmen unter fahrzeugnahen Bedingungen testet. Die Ergebnisse der ersten Funktionstests flossen in die finale Prozessauslegung ein.

Gerade weil der betroffene Bereich sicherheitsrelevant ist, stellte ILJIN besonders hohe Anforderungen an den Beschichtungsprozess. Die Beschichtung brauchte eine fehlerfreie stoffschlüssige Anbindung, durfte den darunterliegenden Stahl aber nicht durch thermische Einwirkung schädigen. Zugleich musste sie sich unter hoher Flächenpressung so verhalten, dass die Kontaktfläche über die gesamte Lebensdauer eines Fahrzeugs ihre Funktion erfüllt.