50 Jahre Laser
Ein Strahl für alle Fälle
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Schmelzen, Drucken, Schweißen
Schmelzen und 3D-Druck
Härten, formen, reparieren – der Laser kann auch das. Am Fraunhofer ILT wurde für Industrieroboter ein Kombikopf entwickelt, der auf Knopfdruck zwischen den Arbeitsgängen Laserstrahlschneiden und Schweißen wechseln kann. Seit einigen Jahren arbeitet das Institut auch an der Entwicklung des »Selective Laser Melting«-Verfahrens, das zur schnellen Herstellung von Prototypen, Ersatzteilen und Implantaten dient. Es funktioniert im Grunde wie ein Drucker, aber in drei Dimensionen. Auf der Basis computergenerierter Daten werden die Teile direkt aus dem pulverförmigen Originalmaterial hergestellt. Schicht für Schicht verdichtet der Laser das Material und baut somit das Produkt präzise auf. Im medizintechnischen Bereich hat man bereits erste Erfolge erzielt, beispielsweise mit der Fertigung von Zahnersatz und Hüftgelenksimplantaten.
Schweißen von Ferne
Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS passt industrielle Fertigungsprozesse den Anforderungen des jeweiligen Werkstoffs an. Mitte der neunziger Jahre entstand etwa das induktiv unterstützte Laserstrahlschweißen. Dieses Verfahren verbindet gezielte lokale Wärmebehandlungen mit dem Einsatz des Lasers beim Schweißen. Damit wurde es erstmals möglich, rissfreie Schweißverbindungen auch an härtbaren oder austenitischen Stählen und Sonderlegierungen etwa bei Karosserieblechen, Antriebswellen oder Getriebeteilen anzufertigen. Sogar hoch komplizierte Bauteile wie Differenzialgetriebe, die bis vor wenigen Jahren noch ausschließlich geschraubt wurden, lassen sich nun in weniger als 15 Sekunden ohne Zuhilfenahme weiterer Schraubverbindungen fertigen.
Auch in der Luftfahrtindustrie war das Institut erfolgreich: So entstanden bereits 2002 erste Projekte zum Laserstrahlschweißen von Flugzeug-Rumpfstrukturen. Eine weitere Spezialität des Fraunhofer IWS sind unterschiedliche Verfahren zur Härtung von Bauteilen mit Hilfe von Lasern. So gelang es beispielsweise, ein neuartiges Randschichthärtungsverfahren für Turbinenschaufeln zu entwickeln, das gleichzeitig die erforderliche Zähigkeit des Werkstoffkerns erhält. Inzwischen hat das Verfahren seine industrielle Feuertaufe überstanden und bewährt sich in 23 großen Dampfturbinen in Kraftwerken in Deutschland, Europa und dem Nahen und Fernen Osten.
Selbst bei Industrierobotern, die mit Lichtleitfasern arbeiten, erfordert es immer noch einen gewissen Aufwand, den Laserstrahl an die zu bearbeitende Stelle des Werkstücks zu bringen. Dies gilt beispielsweise für Steppnähte im Karosseriebau. Dort geht der überwiegende Anteil der Teiletaktzeit für die Zustellbewegungen zwischen den kurzen Schweißnähten drauf. Mit der Remote-Technik, an der das Fraunhofer IWS seit über zehn Jahren arbeitet, muss jedoch nicht mehr der ganze Roboterarm bewegt, sondern lediglich der fokussierte Laserstrahl elektronisch mit Hilfe leichter, schnell beweglicher Spiegel an die richtige Stelle gelenkt werden. So lässt er sich mit Geschwindigkeiten von einigen Metern pro Sekunde von einem Schweißpunkt zum nächsten bewegen.
Angewandt wird dieses Verfahren heute bei vielen Arbeitsvorgängen im Automobilbau, unter anderem beim Schweißen von kompliziert geformten Abgaskühlern. Auch beim Schneiden von Gewebestücken für Airbags hat sich die Technik bewährt. Sie sorgt dafür, dass die Teile exakt und mit hoher Geschwindigkeit aus der laufenden Gewebebahn herausgetrennt werden. Damit wurde in der industriellen Anwendung eine Produktivitätssteigerung von 50% bis 90% nachgewiesen, bei verbesserter Qualität der Teile.
Bis vor wenigen Jahren ließen sich mit diesem Verfahren nur Kunststoffe schneiden. Heute ist die Strahlqualität der verfügbaren Laser so hoch, dass sich auch Metalle bis zu einer Dicke von einem Millimeter zertrennen lassen. Da die Schneidgeschwindigkeiten dabei nahezu an das Stanzen heranreichen, bietet das Verfahren erhebliches Potenzial, die industrielle Fertigung in Zukunft noch effizienter zu gestalten.
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