Wenn der Laserroboter mit dem Nachbarn ›twittert‹

Technik/Laser

Als ideale Ergänzung zur digitalen Transformation sehen manche bereits den Laser an. Doch der zündende Tausendsassa hat noch mehr zu bieten, wie ein Blick auf Euroblech-Trends beweist.

02. Oktober 2018
Meer-Wert: Das ›Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen EHLA des ILT hat sich bereits beim Beschichten meterlanger Offshore-Komponenten bewährt. © pichitstocker - stock.adobe.com
Bild 1: Wenn der Laserroboter mit dem Nachbarn ›twittert‹ (Meer-Wert: Das ›Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen EHLA des ILT hat sich bereits beim Beschichten meterlanger Offshore-Komponenten bewährt. © pichitstocker - stock.adobe.com)

Die Lasertechnik ist im Zusammenspiel mit der Digitalisierung eine prädestinierte Lösung, um in volatilen Märkten ständig schwankende und nicht mehr vorhersagbare Losgrößen produzieren zu können«, erklärt Dr. rer. nat. Dirk Petring, Gruppenleiter Makrofügen und Schneiden am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT aus Aachen.

Ein Paradebeispiel dafür ist das neue NRW-Projekt Multipromobil: Ein Roboter und ein multifunktionaler Laser-Bearbeitungskopf ermöglichen dank cleverem Zusammenspiel integriertes Schneiden, Schweißen und das Generieren von additiven Strukturen. Das Projekt Multipromobil soll den zeitlichen Aufwand für die Inbetriebnahme um 30 Prozent und Stückzahlkosten sowie Ressourcenverbrauch um mindestens 20 Prozent senken.

Geplant ist in der letzten Ausbaustufe eine Fertigungsanlage mit mehreren Robotern, in der jeder einzelne Roboter alle drei Fertigungsdisziplinen beherrscht, mit der sich Prozessketten sehr flexibel gestalten lassen. Ein weiteres wichtiges Thema auf der Euroblech ist der Leichtbautrend zu ultrahochfesten Stählen, den ein Projekt der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) angeht.

In dem von der Fosta (Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.) getragenen Forschungsvorhaben entwickelt das Fraunhofer ILT mit Partnern laserbasierende Schweißverfahren, die es an unterschiedlichen Bauteilen erprobt. In Hannover zeigen die Aachener anhand eines lasergerecht konstruierten Stoßfängermoduls, wie sich unterschiedliche hochfeste Werkstoffe laserschweißen lassen. Noch komplizierter fallen Fertigungsprozesse aus, wenn Hybridbauweise – ein weiteres Megathema der Blechmesse – ansteht.

Die Aufgabe war nicht ohne: Als Vorlage diente ein Hybridbauteil mit faserverstärkter Kunststoffstrebe (CFK) und metallischen Anbindungselementen zur Karosserie, das serienmäßig in der BMW-7er-Serie zum Einsatz kommt. Diesen Dachspriegel nahm sich das BMBF-Projekt Hybrilight vor. Dr. Frank Schneider, Senior-Projektmanager in der Gruppe Makrofügen und Schneiden am Fraunhofer ILT: »In Hannover zeigen wir die neue Dachspriegelvariante, an deren Materialmix aus GFK, CFK und Metall wir die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten der Laserbearbeitung zum Fügen und Schneiden komplex aufgebauter Bauteile demonstrieren.

Zugleich verbindend und disruptiv

Interessant ist die disruptive Vorgehensweise: Die Projektteilnehmer ersetzten das bisherige Kleben und Nieten durch einen laserbasierenden Fügeprozess, der Kunststoff und Metall nun per Formschluss und Adhäsion miteinander verbindet. Außerdem ersetzte GFK das teurere CFK, welches nur an den Längsseiten der Strebe verwendet wird, um dort seine Stärke – das zielgerichtete Steigern der Festigkeit – auszuspielen.

Ein innovativer Laserschneidprozess, der die Bearbeitung des Materialverbundes aus GFK und CFK in einem Arbeitsschritt erlaubt, besäumt den Dachspriegel abschließend. Für die Innovation sprechen mehrere Pluspunkte: Reduzierung der Prozesszeiten im Vergleich zu konventionellen Verfahren um 70 Prozent, Halbierung der Rohstoffkosten und die Integration mehrerer Prozessschritte in einen Prozess. Die Idee kam im Juni 2018 bei einem JEC-Event bereits positiv an: In Chicago erhielten die Projekteilnehmer für den Dachspriegel den ›Future of Composites in Transportation 2018 Innovation Award‹ für das Bauteil.

Besonders stolz sind die Aachener allerdings auf ein mehrfach mit Preisen ausgezeichnetes Verfahren, das sich bereits im Serieneinsatz bewährt hat: Die Rede ist vom Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen EHLA. Die effiziente und umweltfreundliche Alternative zum umstrittenen Hartchromatieren erhielt vor kurzem in Ditzingen den ersten Platz des renommierten Berthold Leibinger Innovationspreises, die dritte Auszeichnung nach dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2017 und dem Stahl-Innovationspreis 2018.

Umweltschutz per Laser

Mit der Erfindung erobern die Wissenschaftler neue Anwendungen für ein ganz besonderes Laserverfahren, das wegen der neuen strengen EU-Zulassungspflicht für Chrom(VI)-Schichten ins Spiel kommt. Bisher galt das Auftragen dieser Schichten, das sogenannte Hartchromatieren, als das bewährte Verfahren in Sachen Korrosions- und Verschleißschutz. Doch es ist wegen der eventuellen toxischen Wirkung in der Kritik. Daher gibt es eine strenge Zulassungspflicht für diese bisher bewährte Form der Oberflächenbehandlung.

Die neue EU-Verordnung trifft besonders hart diejenigen Hersteller, die stark beanspruchte Bauteile aus Metall per Beschichtung vor Korrosion und Verschleiß schützen: Extrem hoch sind zum Beispiel die Anforderungen an Schutzschichten für Komponenten, die im Meer eingesetzt werden: Diese Offshore-Bauteile neigen wegen der salzigen Umgebung besonders zu Korrosion und Verschleiß. Die Folgen sind ungeplante Stillstände oder gar der Ausfall ganzer Anlagen.

Als Alternative bietet sich das patentierten EHLA-Verfahren: Hier schmilzt ein Laser die Pulverpartikel bereits oberhalb des Schmelzbades. Weil die Partikel nicht mehr im Schmelzbad erhitzt werden, steigert sich die Prozessgeschwindigkeit von bisher 0,5 bis 2,0, unter günstigen Bedingungen bis auf 500 Meter pro Minute. EHLA senkt außerdem die Schichtdicke von bisher über 500 auf 250 bis 25 hauchdünne Mikrometer.

Bewährt hat sich das Verfahren bereits in den Niederlanden bei der IHC Vremac Cylinders B.V. aus Apeldoorn, die bereits einige hundert Hydraulikzylinder für den weltweiten Offshore-Einsatz mit Längen bis 10 Meter und Durchmessern bis 500 Millimeter mit verschleiß- und korrosionsbeständigen Legierungen für höchste Ansprüche beschichtet hat.

Nach den Niederlanden folgt nun China: Die ACunity GmbH aus Aachen, ein Spin-off des Fraunhofer ILT, lieferte vier Anlagen an die China Academy of Machinery Science and Technology Group Co., Ltd. (CAM) in Peking und an die Hebei Jingye Additive Manufacturing Technology Co. Ltd.

Die Anlagen werden zur Innen- und Außenbeschichtung von Offshore-Hydraulikzylindern verwendet. Nach dem ersten Erfolg des EHLA-Verfahrens in China ist Chen Hong, ACunity-Geschäftsführer, optimistisch, dass demnächst Aufträge aus der Offshore-Branche über fünf bis zehn Anlagen folgen.

Interessant auch für den Automobilbau und für Autoteile

Mit den nächsten Aufträgen soll sich auch die Produktionsweise ändern. Handelte es sich bisher in erster Linie um maßgeschneiderte Sondermaschinen, soll nun ein Modulbaukasten für kleine, mittlere bis hin zu sehr großen Anlagen entstehen. Diese Weiterentwicklung ist nicht nur für die Offshore-Branche, sondern auch für andere industrielle Bereiche interessant. Thomas Schopphoven, Leiter des Teams ›Produktivität und Systemtechnik‹ am Fraunhofer ILT: »Das EHLA-Verfahren kommt auch für Bremsscheiben und die Reparatur von Fahrwerkskomponenten infrage, deren Korrosions- und Verschleißschutzschichten auch sehr hohe Belastungen aushalten müssen.«

Bereits im Einsatz befindet sich in der Automobilindustrie eine andere Aachener Entwicklung, das flexible Hochgeschwindigkeitsschneiden von Blechbändern: Zusammen mit dem Fraunhofer ILT hat Honda in seinem Werk in Yorii (Japan) das bisherige Stanzen bis zu 1,8 Meter mal 4,0 Meter großer Stahlbleche mit einer Dicke von 0,5 bis 2,3 Millimeter durch einen extrem schnellen Laserschneidprozess ersetzt, der mit einer Geschwindigkeit bis 115 Meter pro Minute arbeitet.

Honda erreicht mit dem Laserschneidsystem seit der Einführung im Jahre 2015 eine Ausbringung von 18.700 Teilen pro Tag. Dr. Petring: »Wir berichten in Hannover über den nächsten Schritt hin zu einem sehr schnellen Schneidprozess für differenziert gewalztes Band mit partiell unterschiedlichen Eigenschaften, den wir aktuell zusammen mit der Bilstein GmbH & Co. KG in Hagen realisieren. Wir werden nicht nur ein Video zum Prozess zeigen, sondern auch erste mit unserem Verfahren hergestellte Formplatinen.«

»Unser System schneidet auch sehr große Seitenteile mit einer gesamten Länge von neun Metern innerhalb von sieben Sekunden«, erklärte Honda-Projektingenieur Izuru Hori in Aachen auf dem International Laser Technology Congress AKL 18. »Bei kleineren Bauteilen beträgt sie nur eine Sekunde. Wir konnten mit dem Laserschneidsystem seit der Einführung im Jahr 2015 die Produktivität im Vergleich zu konventionellen Stanzanlagen verzehnfachen. Daher planen wir nun auch das Schneiden von Aluminium.«

Der Durchbruch steckt im Detail

Doch es sind nicht nur die großen Entwicklungen, manchmal kann auch das Verändern eines einzigen Kennwertes Wunder bewirken. Laserexperten kennen zum Beispiel die wichtige Rolle der Temperatur. Daher befassen sich aktuelle Forschungen in Sachen Laserwärmebehandlung intensiv mit der optimalen Einstellung des Temperaturfeldes. Auf der Euroblech in Hannover zeigt das Fraunhofer ILT, wie sich durch Anpassen des Strahlprofils mit Hilfe eines Freiformspiegels Bereiche und Zonen gezielt und lokal bearbeiten lassen, um so definierte Festigkeitsprofile zu erzeugen. Um die Laserwärmebehandlung prozesssicher und kosteneffizient mit kurzen Taktzeiten zu realisieren, arbeiten die Aachener mit deutlich erhöhten Vorschubgeschwindigkeiten.

Nikolaus Fecht

Fachjournalist aus Gelsenkirchen

Euroblech Halle 11, Stand A25

Erschienen in Ausgabe: 06/2018