Gewichtseinsparung durch lasergestützte Materialbearbeitung im Automobilbau

Lasertechnik
17.10.2016
Erstellt von Zur kompletten Meldung des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT Aachen

KLASSE: Laser-Kombikopf zum Schneiden und Schweißen aus erfolgreich abgeschlossenem BMBF-Projekt.

Leichtbaukonzepte sind aus der heutigen Fertigungstechnik nicht mehr wegzudenken. Im Karosseriebau kommen aus Gewichtsgründen unter anderem pressgehärtete und ultrahochfeste Vergütungsstähle mit einer Zugfestigkeit von bis zu 2.000 MPa (Megapascal) zum Einsatz. Diese Hochleistungsstähle erreichen gegenüber Stählen mit geringerer Festigkeit durch die Verwendung geringerer Blechstärken nicht nur ein reduziertes Gewicht sondern auch ein gleich gutes oder sogar verbessertes Crashverhalten.

Laserbearbeitung ultrahochfester Stähle

Typische Einsatzgebiete für Bleche aus ultrahochfesten Stählen sind B-Säulen oder seitliche Schweller von PKW, bei denen es im Falle eines Aufpralles auf eine möglichst hohe Aufnahme kinetischer Energie ankommt. Die hohe Festigkeit dieser Werkstoffe macht jedoch Anpassungen bei den Bearbeitungsverfahren wie dem Beschneiden und dem Fügen notwendig. Neben den herkömmlichen mechanische Trenn- und Fügeverfahren haben sich im industriellen Einsatz Bearbeitungsverfahren mit dem Werkzeug Licht bewährt. Als Trennverfahren hat sich das Laserschneiden bereits vielfach bewährt, das Fügen erfolgt im Wesentlichen durch Punktschweißen.

Beide Verfahren können jedoch zu Effekten führen, die die Bauteileigenschaften negativ beeinflussen können. Beim Schneiden entstehen Aufhärtungen in der Randzone der Schnittkante, beim Punktschweißen bildet sich eine Wärmeeinflusszone mit deutlicher Härtereduzierung um den Schweißpunkt aus. Beide Effekte führen im schlechtesten Falle zum Versagen der Verbindung und damit im Schadensfall zu einer verminderten Absorption der kinetischen Energie im Bauteil. Durch eine lokale Laserwärmebehandlung im Schnittkantenbereich und in den Fügezonen kann dieser Schwächung entgegen gewirkt werden.

Laser-Kombiköpfe für die Bearbeitung von Karosseriebauteilen

Nicht zuletzt aus wirtschaftlichen Gründen ist es sinnvoll, einzelne Prozessschritte in einem Werkzeug miteinander zu kombinieren. An dieser Stelle setzt das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbundprojekt „KLASSE an“, das vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT gemeinsam mit Partnern aus dem Automobilindustrie sowie dem Laseranlagenbau durchgeführt wird.

Das Ergebnis von KLASSE ist ein kombinierter Bearbeitungskopf, der eine hybride Laserstrahlquelle, bestehend aus einem Diodenlaser für die Wärmebehandlung und einem Faserlaser für das Schneiden enthält. Bereits seit mehreren Jahren ist für die Kombination verschiedener Arbeitsschritte ein am Fraunhofer ILT entwickelter und von der Laserfact GmbH vermarkteter Laserbearbeitungskopf erfolgreich im industriellen Einsatz. Der Kopf kann die beiden Prozessschritte „Schneiden“ und „Schweißen“ in einer Maschine ohne Werkzeugwechsel realisieren.

Seit dem Frühjahr 2016 ist dieser Kombikopf dank einer integrierten Pulverdüse nun auch in der Lage, additive Fertigungsschritte durch das Laserauftragschweißen durchzuführen. Durch diese Integration lassen sich Rüstzeiten minimieren und eine hochflexible Fertigung noch effizienter gestalten. Zusätzlich erlaubt der Kombikopf auch das Schneiden von Verbundwerkstoffen, z.B. kohlefaserverstärkten Bauteilen, die aufgrund ihres geringen Gewichtes bei gleichzeitig hervorragenden mechanischen Eigenschaften in der Karosseriefertigung zunehmend Einzug halten.

Das Projekt „KLASSE“ wurde nach drei Jahren Laufzeit Anfang 2016 erfolgreich abgeschlossen. Das Verbundprojekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Initiative „Photonische Verfahren und Werkzeuge für den ressourceneffizienten Leichtbau“ gefördert.

Partner des BMBF-Verbundprojekts KLASSE

  • Audi AG, Ingolstadt
  • BILSTEIN GmbH & Co. KG, Hagen
  • F+K Werkstoffprüfung und Labor GmbH, Wetter
  • Ford Forschungszentrum Aachen GmbH, Aachen
  • Fraunhofer-Institut für Lasertechnik, Aachen
  • Karl H. Arnold Maschinenfabrik GmbH & Co.KG, Ravensburg
  • KIRCHHOFF Automotive Deutschland GmbH, Attendorn
  • Laserline GmbH, Mülheim-Kärlich
  • ThyssenKrupp Steel Europe AG, Dortmund