Wasserdicht dank flinker Laser

Fraunhofer-Ingenieure aus Dresden haben ein neues Laserschweißverfahren entwickelt, das auf einem schnell pendelnden Laserstrahl basiert. ›Remoweld Flex‹ eignet sich insbesondere für Bauteile, die mediendicht verschlossen werden müssen.

03. Juni 2019
Wasserdicht dank flinker Laser
›Remoweld Flex‹ eignet sich insbesondere für Bauteile, die mediendicht verschlossen werden müssen. (Bild: Fraunhofer IWS)

Die neuen Schweißköpfe aus Dresden sind nicht nur für den Elektroautomobilbau interessant, ist Dr. Dirk Dittrich überzeugt, der am Fraunhofer IWS die Gruppe für Laserstrahlschweißen leitet. »Wir sehen viele Anwendungsszenarien«, betont er. Wenn die Industrie künftig beispielsweise motornahe Kühlwasserkreisläufe mit hochbelastbaren Laserschweißnähten statt mit Schrauben und Kunststoff abdichten kann, dürfte das die Lebensdauer und die Ausfallsicherheit der Motorkühlungen deutlich verbessern.

Widerspenstige Alu-Druckgussteile

Das neue Verfahren empfiehlt sich überall dort, wo schwer schweißbare Materialien eingesetzt werden und wo Bauteile bisher nur mit klassischen Mitteln – und teilweise noch per Hand – abzudichten sind. Ein Beispiel dafür ist die Elektroautoproduktion. In diesen Fahrzeugen müssen Batterien und andere elektrische Steuergeräte gekühlt werden. Die Elektrik aber darf nicht mit dem Kühlwasser in Kontakt kommen, sonst entstehen Kurzschlüsse. Daher werden Steuergeräte oft durch Gehäuse aus leichtem Aluminium-Druckguss geschützt. Nach der Montage werden sie durch aufgeschraubte Deckel und Kunststoffdichtungen verkapselt. Das ist zwar umständlich, war bisher aber kaum anders zu lösen. Denn Aluminium-Druckguss ließ sich nicht zuverlässig wasserdicht verschweißen.

Der Grund dafür sind gasgefüllte Hohlräume im Alu-Druckguss. Schneidet ein klassischer Laser diese Kavitäten an, ähnelt der Effekt einem abrupt geöffneten Luftballon: Das eingeschlossene Gas entweicht schlagartig aus dem Hohlraum und schleudert die flüssige Metallschmelze gleichzeitig heraus, die der Laser eben erzeugt hat. Erkaltet die Naht in diesem Zustand, bleiben Fehlstellen zurück. Durch solche kleine Undichtheiten könnte letztlich Wasser die Elektrik erreichen.

Feiner Laserstrahl rasant bewegt

Die IWS-Entwickler haben einen Weg gefunden, wie sich solche Alugussteile trotzdem sicher und wasserdicht verschweißen lassen: In dem Remoweld-Flex-Arbeitskopf pendelt der Laserstrahl mit einem Strahldurchmesser von nur etwa einem Zehntelmillimeter rasant über das Material. Vorstellen könne man sich das wie den Einsatz einer Präzisionsnadel anstelle eines groben Brenners, erklärt Dirk Dittrich. Diese Lichtnadel schwingt mehrere Tausend Mal pro Sekunde im Schmelzbad: Das ESL2-100-Modul, eine am Fraunhofer IWS entwickelte Technik, um Laser-Scanner direkt in die Anlagensteuerung einzubinden, steuert die Bewegung präzise und reaktionsschnell pendelnd entlang der gewünschten Konturen. Dabei entsteht eine gleichmäßige und vor allem wasserdichte Schweißnaht.

»Wir haben damit eine attraktive Lösung für mittelständische Automobilzulieferer und viele andere Industriekunden gefunden«, ist der Gruppenleiter überzeugt. Möglich geworden sei das durch ein Zusammenspiel von Laser-Scannern, Spiegeloptiken, Echtzeitsteuerungen und weiteren Systemkomponenten. Zudem sind die Lasermodule flexibel erweiterbar. Sie lassen sich zum Beispiel mit Hochgeschwindigkeitskameras für die Echtzeitqualitätskontrolle koppeln.

Wichtiger Schritt zu Industrie 4.0

Insofern ist Remoweld Flex auch ein wichtiger Schritt hin zur Industrie 4.0: »Laserschweißprozesse ermöglichen einen hohen Automatisierungsgrad im Vergleich beispielsweise zum Schrauben«, erklärt Dirk Dittrich. Dadurch lassen sich Digitalisierungslücken in der Produktion schließen. Denn die Arbeitsschritte eines Monteurs, der einen Anschlussstutzen manuell abzudichten versucht, lassen sich nur schwer in computerfassbare Werte übersetzen. Ein Laserschweißkopf dagegen arbeitet ohnehin digital.

Anderseits können die Nutzer aus den ausgelesenen Prozessdaten digitale Bauteilakten gewinnen. Diese detaillierten Dokumentationen sind in immer mehr Branchen gefragt, um spätere Regressansprüche bei Defekten regulieren zu können und um in der Massenproduktion auf eine gleichbleibend hohe Fertigungsqualität zu kommen. »Hier ist durch unser Verfahren ein großer Fortschritt möglich«, so der Gruppenleiter.