Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden steht für Innovationen in der Laser- und Oberflächentechnik. Als Einrichtung der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. bietet das Institut Lösungen aus einer Hand – von der Entwicklung neuer Verfahren über die Integration in die Fertigung bis hin zur anwendungsorientierten Unterstützung. Die Felder Systemtechnik und Prozesssimulation ergänzen die Kernkompetenzen. Zu den Geschäftsfeldern des Fraunhofer IWS gehören PVD- und Nanotechnik, Chemische Oberflächen- und Reaktionstechnik, Thermische Oberflächentechnik, Generieren und Drucken, Fügen, Laserabtragen und -trennen sowie Mikrotechnik. Das Kompetenzfeld Werkstoffcharakterisierung und -prüfung unterstützt die Forschungsaktivitäten.

Beim Laser-Remote-Schneiden wird ein gut fokussierter Laserstrahl mit Hilfe von schnell bewegten Spiegeln entlang der zu schneidenden Kontur auf der Bauteiloberfläche bewegt. Die Geschwindigkeit des Laserspots beträgt dabei mehrere Meter pro Sekunde. Durch die geringen Wechselwirkungszeiten zwischen Laserstrahl und Bauteil wird das Material des Bauteils partiell verdampft und ausgetrieben. Typische Abtragtiefen liegen bei 30 - 50 µm pro Zyklus. Höhere Materialdicken lassen sich durch Wiederholung des Scanvorgangs trennen. Es erfolgt ein zyklischer Abtrag des Materials. Die Schnittfuge wird schichtweise erzeugt. Eine Unterstützung des Schneidprozesses durch ein Schneidgas ist nicht erforderlich. Damit entfällt die Notwendigkeit der Führung einer Schneidgasdüse entlang der gewünschten Bauteilkontur.

Als wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens ergeben sich damit Bearbeitungsgeschwindigkeiten von mehreren hundert m/min, welche selbst hochdynamische Schneidanlagen mit Lineardirektantrieben infolge ihrer Masseträgheit nie erreichen werden.

Gute Schnittqualität und maximale Bearbeitungsgeschwindigkeiten bei geringen Investitions- und Betriebskosten gelten bei Laserschneidanlagen als kaufentscheidendes Argument.

Unter Nutzung der dynamischen Strahlformung lassen sich deutliche Effekte bezüglich der Performanz erzielen. Maßgebliche Ergebnisgrößen sind die erreichbare Schneidgeschwindigkeit, die Schnittspaltgeometrie sowie die qualitätsbestimmenden Merkmale der Schnittkante, welche die Oberflächenrauheit und mögliche Gratanhaftungen betreffen. Vergleichende Betrachtungen (mit und ohne dynamische Strahlformung) bei identischer Leistung zeigen eine Homogenisierung der Rauheit über die gesamte Schnittkante sowie eine Reduzierung der absoluten Rautiefe. Neben Qualitätsverbesserungen sind auch Steigerungen der Schnittgeschwindigkeit und/oder eine verbesserte Parallelität der Schnittkanten realisierbar.

Die Integrierbarkeit der dynamischen Strahlformung in Schneidanlagen ist durch die Verwendung von Kaufkomponenten und einer feldbusbasierten Ansteuerungslösung des Fraunhofer IWS gegeben.

Konventionelle Lichtbogenschweißverfahren sowie Widerstandspunktschweißen werden häufig für das Fügen großformatiger Blechstrukturen aus Stahl oder Aluminium eingesetzt.  Hinsichtlich Leichtbau und Verzug stoßen diese Verfahren aber oft an ihre Grenzen. Für moderne Anwendungen im Dünnblechbereich bietet der Laserstrahl ein hohes Potenzial lastangepasste Schweißkonstruktionen sicher zu realisieren. Dabei beantworten wir z. B. an Demonstratoren für den Schienenfahrzeugbau Fragen zum Thema Verzugsminimierung ebenso wie zur Effizienzsteigerung des Fertigungsprozesses.

Multi-Material Design von Komponenten und Strukturen bieten die Möglichkeit Produkte zu entwickeln, die unter anspruchsvollen Belastungsregimes eingesetzt werden und deutliche Gewichtsvorteile ermöglichen. Erforderlich für eine erfolgreiche Anwendung sind angepasste Fügetechnologien und Systeme zum direkten Fügen von Kunststoff mit Metall sowie zum Fügen unterschiedlicher Metalle. Für unsere Partner auf einem breiten Markt von Anwendungsfeldern für Mischbauweisen (Automobil-, Batterie-, und Konstruktionsbranche) sowie deren Zulieferer entwickeln wir neben dem Fügestellendesign auch die entsprechenden industrietauglichen laserbasierten Fügeprozesse sowie Systemtechnikkomponenten.

Das prozesssichere Schweißen von Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium mit hoher Nahtqualität ist nach wie vor eine Herausforderung.  Das Laserstrahlschweißen mit einer hochfrequenten Strahloszillation ermöglicht ein qualitätsgerechtes, sicheres Verschweißen von Al-Blechen und sogar von Verbindungen Aluminium-Druckgusswerkstoffen. Am Fraunhofer IWS wurde dafür ein entsprechendes modulares Schweißkopfkonzept entwickelt, welches als Herzstück einen HF-Scanner beinhaltet, der bis zu 4 kHz Scan-Frequenz bei einer Maximalleistung von 4 kW ermöglicht. Zur vorlaufenden Schweißnahtsuche dient ein berührungslos arbeitendes Sensorik-Modul. Ein nachgeschaltetes kamerabasiertes Beobachtungsmodul kann je nach Anwendungsfall zur Qualitätssicherung eingesetzt werden. Der modulare Aufbau des Schweißkopfes sichert die Flexibilität für einen individualisierten Fertigungsablauf wahlweise mit bzw. ohne Sensorik- oder Beobachtungsmodul.