Automobilbau profitiert von neuartigen Laser-Fügeprozessen

 Produktionsflexibilität, Kosteneffizienz und Nachhaltigkeit sowohl bei Produkten als auch bei Fertigungsprozessen stehen im Fokus, wenn es darum geht, leichte Karosserien für Fahrzeuge zu bauen. Hier sind innovative Laserfügetechnologien geradezu prädestiniert, denn sie ermöglichen die wirtschaftliche Herstellung hoch belastbarer Leichtbaukonstruktionen. Auf der internationalen Fachmesse für Laser-Materialbearbeitung LASYS, die vom 31. Mai bis 2. Juni 2016 auf dem Stuttgarter Messegelände stattfindet, werden Aussteller zu diesem Themenkreis ihre Expertise und neuesten Lösungen vorstellen. Mit rund 200 erwarteten Ausstellern, widmet sich die Messe explizit der Laser-Materialbearbeitung und präsentiert etablierte und innovative Laser-Fertigungssysteme, laserspezifische Komponenten sowie Subsysteme. Dazu gehören auch Lösungen für wirtschaftliche Laser-Fügeprozesse.

 Laserfügen von Stahl- und Aluminium ermöglicht AutomobilleichtbauIm Schweißen gleichartiger Werkstoffe, wie Stahl mit Stahl oder Kunststoff mit Kunststoff, ist der Laser quasi ein Meister. Eine besondere Herausforderung stellt allerdings das Schweißen unterschiedlicher Metalle, wie Leichtmetall mit Stahl, oder artfremder Materialien dar, wie Keramik mit Metall. Das Fügen solcher Werkstoffe wird durch unterschiedliche Materialeigenschaften, wie verschiedene Schmelzpunkte oder Wärmeleitfähigkeit, erschwert. Metallische Hybridkonstruktionen, wie Aluminium und Stahl, sind für die Leichtbauweise von Automobilen sehr interessant. Eine sichere Verbindung der beteiligten Materialien ist dabei ganz wichtig. „Für mechanisch hoch belastete Fahrzeugkomponenten aus umgeformten Blechteilen sind unlösbare, stoffschlüssige Fügeverfahren am besten geeignet“, sagt Dr. Axel Jahn, Leiter der Gruppe „Bauteilauslegung“ am Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS). Herkömmliche Schmelzschweißverfahren führten ihm zufolge bei vielen Werkstoffkombinationen jedoch zur Bildung intermetallischer Phasen. Infolgedessen werde die Umformbarkeit der Verbindungszone deutlich reduziert, die Weiterbearbeitung erschwert und ein technischer Einsatz meist unmöglich. Deshalb wurde am Fraunhofer IWS in Dresden ein zweistufiges Fügeverfahren entwickelt, bei dem der Laser als Werkzeug im Zentrum steht. Es wird auf der LASYS 2016 von den IWS-Experten präsentiert. Dr. Jahn fasst zusammen: „Crashversuche zeigen, dass die Verbindung von Stahl- und Aluminiumblechen mit unserem neuartigen Verfahren für Fahrzeugstrukturen anwendbar ist, die schlagartigen Belastungen ausgesetzt sein können.“

Hochproduktives Laser-Scannerschweißen bei mittleren bis großen Losgrößen

Laserschweißen offeriert klare Vorteile bei der Produktion von mittleren bis großen Losgrößen. So ermöglicht das Laser-Scannerschweißen heute laut LASYS-Aussteller Trumpf hochproduktive und flexible Anlagenkonzepte, die das Schweißen in der Serienproduktion schneller, präziser und damit wirtschaftlicher machen als herkömmliche Schweißverfahren. Durch die sehr schnellen Versatzbewegungen entfielen so Nebenzeiten nahezu vollständig, und das Lasergerät könne in fast 100 Prozent der verfügbaren Fertigungszeit produzieren. Während des Schweißens lässt sich die Scanneroptik darüber hinaus in Verbindung mit einem Roboter über ein Werkstück führen: Welding-on-the-Fly. In Echtzeit synchronisieren hier Roboter und Scanneroptik ihre Bewegungen aufeinander. Der Einsatz eines Roboters vergrößert den Arbeitsraum deutlich und ermöglicht den Trumpf-Experten zufolge eine echte dreidimensionale Bauteilbearbeitung. Zudem benötigen sichtbare Schweißnähte beim Laserschweißen fast keine Nachbearbeitung, was dem Automobilbau und vielen anderen Branchen bei der Verarbeitung von Edelstahlblechen Kostenvorteile beschert.

 Laserschweißen auch bei kleinen Losgrößen attraktivDass sich Laserschweißanlagen auch bereits bei kleinen Losgrößen lohnen, kann der LASYS-Aussteller O.R. Lasertechnologie bezeugen. „Das liegt daran“, erklärt Uri Resnik, Geschäftsführer von O.R. Lasertechnologie, „dass unsere Anlagen bei kleinen Losgrößen manuell betrieben, bei größeren Losgrößen aber auch automatisiert werden können. Im Vergleich zu Roboteranlangen müssen hier keine teuren Spannvorrichtungen gebaut werden. So sind Laseranlagen auch für kleine und mittelständische Unternehmen attraktiv.“ Auf der LASYS wird der Aussteller die Weiterentwicklung seiner Pulverdüse in Kombination mit den Anlagen präsentieren. Resnik weiter: „Damit können wir einen 2,5-D- sowie 3-D-Aufbau von Formen, Konturen oder allgemeine Schweißungen durchführen.“ Die Technologie findet beispielsweise Einsatz im Werkzeug- und Formenbau, Triebwerksbau oder beim Schweißen verschleißintensiver Teile.

 Um die Prozesssynchronizität und damit auch die Wirtschaftlichkeit von Laserschweißanlagen zu erhöhen, werden unter anderem Scanning- und Loggingprozesse bei Anlagen des Ausstellers Laservorm direkt in die CNC der Maschine integriert. Obwohl sich Laserschweißen immer mehr etabliert, sind noch Herausforderungen zu bewältigen. Dominique Bauch, Leiter Lohnfertigung bei Laservorm, nennt hier beispielsweise die lasergerechte Positionierung der beiden Fügepartner zum Laserstrahl sowie das Überbrücken von großen Fügespalten. „Mit unseren scannenden Strahlformungssystemen sind wir in der Lage, größere Fügespalte beim Schweißen ohne Zusatzmaterial zu überbrücken“, so Bauch. Auch das Fügen von schweißkritischen Materialien wie das Schweißen von Abgasbauteilen aus Sphäroguss (GJS), Lötverbindungen auf Kupferbasis bei Getriebebauteilen oder beispielsweise das Fügen von hochkohlenstoffhaltigen Materialien mit induktiver Vor- und Nachwärmung bei Bauteilen der inneren Getriebemechanik erfordere dem Experten zufolge viel Know-how und Erfahrung. „Hier kommen die Vorteile des Laserschweißens ins Spiel“, erklärt Bauch, „die es ermöglichen, gezielt Wärme einzubringen damit eine sichere, feste und verzugsarme Verbindung der Materialien entsteht.“

 Keramik mit Metall vereinen, ein Kunststück„Heute stehen uns mit neuartigen brillanten Laserquellen bessere Werkzeuge als früher zur Verfügung“, betont Robby Ebert, Projektmanager am Laserinstitut Hochschule Mittweida. Der LASYS-Aussteller beschäftigt sich bereits seit vielen Jahren mit dem Laserschweißen von Buntmetallen mit Stahl oder dem Schweißen von Keramik. Hier seien in jüngster Vergangenheit ebenfalls neue technologische Möglichkeiten entstanden, insbesondere was den Mikrobereich angehe. „Doch das Schweißen von Keramik mit Metall ist die höchste Kunst überhaupt. Das ist von den Materialeigenschaften her so, als wolle man Feuer und Wasser vereinigen“, sagt Ebert. In Ansätzen ist es den Forschern bereits gelungen, was auf der LASYS 2016 anhand von Keramik-Metall-Schweißproben zu sehen sein wird. „Mit weiterführender Forschung sind mittelfristig Erfolge zu erwarten“, so Ebert. Das könnte dann interessant werden für die Elektronik- und Mikrosystemtechnikbranche.

 LASYS 2016 fokussiert Effizienz und WirtschaftlichkeitAuf der Messe haben die Messebesucher die Chance, viele neue Ideen für neue Lösungen mit nach Hause zu nehmen. Sowohl Effizienz als auch Wirtschaftlichkeit von Laser-Materialbearbeitungsanlagen liegen im Fokus der Aussteller. Bauch resümiert: „Die Aufgaben unserer Anwender zeigen deutlich, dass zukünftig die additive Fertigung in Kombination mit klassisch gefertigten Halbzeugen von hohem Interesse sein wird. Bereits jetzt werden durch das Verfahren „Laser-Pulverauftragschweißen“ feinste Funktionsstrukturen auf Halbzeuge aufgebracht, um somit zum Beispiel die Stabilität eines Bauteils zu erhöhen und gleichzeitig das Gewicht zu reduzieren.“