Das Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS wird vom 15. bis zum 19. September in Essen zeigen, wie dank dynamischer Strahlformung auf Zusatzwerkstoffe verzichtet werden kann und wie sich dabei gleichzeitig Qualität, Energieeffizienz und Fertigungsablauf verbessern lassen. Sowohl konstruktive als auch wirtschaftliche Spielräume ließen sich dadurch erweitern. Eingesetzt werden soll die Technologie unter anderem in Leichtbaustrukturen für die E-Mobilität, Tankstrukturen für die Luftfahrt sowie tragenden Komponenten im schweren Stahlbau.
Aluminium-Batteriegehäuse: Ohne Zusatzdraht, rissfrei und porenarm
Im EU-Projekt „Albatross“ hat das Fraunhofer IWS ein innovatives Batteriegehäuse für Elektrofahrzeuge lasergestützt gefertigt und in realer Bauteilgröße erfolgreich demonstriert. Die Leichtbaustruktur kombiniert Aluminium-Strangpressprofile mit Aluminium-Druckgussteilen von bis zu 5 mm Wandstärke. Konventionelle Verfahren stoßen bei dieser Werkstoffpaarung an physikalische Grenzen: Druckguss neigt zu Porenbildung, Aluminium-Strangpressprofile der Werkstoffgruppe 6000 gelten als heißrissempfindlich. „Unsere Lösung basiert auf einer gezielt oszillierenden Strahlführung, die das Schmelzbad in Bewegung bringt, Poren reduziert und gleichzeitig metallurgisch stabile Nähte erzeugt“, erläutert Dr. Axel Jahn. „So erzeugen wir qualitätsgerechte Aluminiumschweißverbindungen ohne die sonst übliche Verwendung von Zusatzwerkstoff.“ Das Batteriegehäuse wurde in ein reales Fahrzeugmodell implementiert und erprobt. Im Fraunhofer-Leitprojekt „FutureCarProduction“ wird diese Technologie derzeit hinsichtlich der schweißtechnischen Verarbeitung von Sekundäraluminium sowie von Guss-Guss-Verbindungen weiterentwickelt und einer Nachhaltigkeitsbewertung unterzogen.
3D-Tankboden: Rissfreie Schweißnähte für anspruchsvolle Einsatzbedingungen
Für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt hat das Fraunhofer IWS eine Laserschweißtechnologie mit dynamischer Strahlformung entwickelt, um geschlossene Tankstrukturen aus einer hochfesten Aluminiumlegierung der 2000er-Reihe herzustellen. Da diese Legierungen beim Verschweißen zur Heißrissbildung neigen, kommt bislang üblicherweise Zusatzdraht zur Beeinflussung der Legierungsbildung im Schweißgut zum Einsatz. Der neue Laserschweißprozess des Instituts verzichtet dagegen vollständig auf Zusatzwerkstoffe und ermöglicht ein prozessstabiles, wärmearmes Schweißen auch an dreidimensional geformten Konturen. „Der laserbasierte Prozess eignet sich hervorragend für den Abschluss rotationssymmetrischer Behälter und wird auch für das Einschweißen von Rohren untersucht“, so Jahn. „Er liefert dichte, mechanisch belastbare Nähte ohne nennenswerten Verzug und bei hoher Nahtfestigkeit.“
Lesetipp: „Zusammenbrutzeln“ war gestern
Entwickelt wird der Demonstrator im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) geförderten Luftfahrtprojekts (LuFo). Ergänzend zum Laserschweißen testet das Fraunhofer IWS auch Rührreibschweißen (FSW) für Platinen und elektromagnetisches Pulsfügen (EMP) von Rohrverbindungen in metallischer Mischbauweise.
Kranausleger: Produktivitätsschub für den Stahlbau
Hersteller großformatiger Stahlkonstruktionen erhalten am Beispiel eines 4 m langen Kranauslegers eine neue Lösung für das wärmearme, ressourcensparende und prozesssichere Fügen massiver Stahlprofile mit Wandstärken von über 20 mm in hoher Qualität. Kern ist ein leistungsfähiges Mehrlagenschweißen mit bis zu 24 kW Laserleistung in einer einzigen Aufspannung. Die V-Nahtvorbereitung wurde auf Öffnungswinkel unter 5 ° optimiert. „Damit reduzieren wir das Nahtvolumen, sparen bis zu 90 % Zusatzwerkstoff ein und vermeiden Verzug weitgehend“, beschreibt Jahn die Effekte. „Das Richten großer Baugruppen – oft ein energieintensiver, manueller Arbeitsschritt – wird in vielen Fällen überflüssig.“ Die Entwicklung wurde über ein SAB-Projekt gefördert und soll künftig auch im Brückenbau, der Windenergietechnik und im Schiffbau Anwendung finden. Erste industrielle Rückmeldungen bestätigen hohes Interesse an einer Integration der Technologie in bestehende Fertigungslinien.
Lesetipp: Bauteilsauberkeit für Klebe- und Schweißprozesse in der E-Mobilität
Laser, Werkstoff und System aus einer Hand
Die ausgestellten Demonstratoren zeigen, wie sich materialwissenschaftliches Know-how, prozesstechnische Erfahrung und systemische Umsetzung erfolgreich verzahnen lassen. Das Fraunhofer IWS entwickelt nicht nur Fügeverfahren, sondern begleitet auch deren Überführung in praxisnahe Fertigungsumgebungen. „Wir bringen unsere Lösungen mit abgestimmter Sensorik, durchdachter Steuerung und begleitender Bewertung der Prozessqualität in die Anwendung“, fasst Jahn zusammen.
