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Mittwoch, 13. Dezember 2017

Produktion

Strahlende Alleskönner

Von Stefan Asche | 16. Februar 2017 | Ausgabe 07

Laser sind aus vielen Herstellungsprozessen nicht mehr wegzudenken. Sie helfen u. a. beim Fügen, Schneiden, 3-D-Drucken, Beschriften, Gravieren und Reinigen.

Licht BU
Foto: Hamuel

Per Laserauftragsschweißen repariert Maschinenbauer Hamuel Turbinenschaufeln.

Bei der Konstruktion von Flug- und Fahrzeugen gewinnen Hybridbauteile aus Metall und faserverstärktem Kunststoff an Bedeutung. Hintergrund: Sie sind sowohl fest als auch leicht. Bei ihrer Herstellung gibt es aber stets ein Problem: Wie lassen sich die ungleichen Materialien dauerhaft und prozesssicher fügen? Am Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT in Aachen wurden drei neue Ansätze entwickelt. In allen spielt der Laser eine zentrale Rolle.

Im Projekt „HyBriLight“, gefördert vom Bundesforschungsministerium, setzen die Forscher auf Formschluss und Adhäsion. „Das ist eine Alternative zum bisher bevorzugt eingesetzten Klebeverfahren“, erklärt Kira van der Straeten, Wissenschaftlerin im Team Kunststoffbearbeitung. „Im ersten Schritt erzeugen wir Mikro-und Nanostrukturen auf dem Metallbauteil.“ Dazu werde ein Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) genutzt. Mit ihm lasse sich eine hohe Strukturdichte erreichen. „Anschließend wird das Metall erhitzt und der Kunststoff über Wärmeleitung plastifiziert.“ Ergebnis: Der geschmolzene Kunststoff fließt in die Mikrostrukturen. Nach dem Erkalten besteht eine feste und dauerhafte Verbindung zwischen den beiden Materialien. „Mit diesem Verfahren lassen sich Hybridbauteile mit extrem hoher Zugscherfestigkeit von rund 25 MPa herstellen“, so van der Straeten. „Diese hohen Festigkeiten sind vor allem auf die starke Adhäsionswirkung der Mikro-und Nanostrukturen aufgrund von spezifischer und mechanischer Adhäsion zurückzuführen.“

Ein ähnliches Prinzip nutzen die Forscher, um metallische Krafteinleitungselemente in Spritzgussteile zu integrieren. Ein Faserlaser erzeugt zunächst Mikrostrukturen auf dem Insert. Diese füllen sich beim anschließenden Spritzgießen mit flüssigem Kunststoff. „Durch eine Anpassung von Dichte und Orientierung der Mikrostrukturen kann die resultierende Festigkeit beeinflusst und an die späteren Einsatzbedingungen angepasst werden“, so van der Straeten.

Die Aachener haben außerdem eine Lösung für Makrofüge-Ansätze entwickelt – etwa das Zusammennieten von CFK und Metall. Damit die beiden unterschiedlichen Materialien später an der richtigen Stelle fest miteinander verbunden sind, müssen die Nietlöcher höchst präzise platziert und ausgeführt sein. Das wird erreicht, indem die Fügepartner bereits vor der Verbindung übereinander gelegt und dann per Laserschnitt gelocht werden. Das Problem: Die Materialien reagieren höchst unterschiedlich auf den Energieeintrag. Die Lösung: eine materialabhängige Schneidestrategie. Fraunhofer-Forscher Frank Schneider erklärt: „Als erstes wird das CFK in wiederholten, zum Teil versetzten Scans abgetragen.“ Zum Einsatz kommt dabei ein Singlemode-Faserlaser im Multi-Kilowatt-Bereich. Schäden an der CFK-Struktur würden mittels hoher Überfahrtgeschwindigkeit minimiert. „Anschließend schneiden wir das Metall. Das geschieht in nur einer Überfahrt mit Scheidgasunterstützung.“

Der Laser spielt auch eine zentrale Rolle bei verschiedenen Verfahren der additiven Fertigung. So wird er bei der Stereolithographie, der Mutter aller 3-D-Druck-Verfahren, genutzt, um ein Photopolymer schichtweise auszuhärten.

 Beim selektiven Laserschmelzen bzw. -sintern verschmilzt er schichtweise feine Partikel innerhalb eines Pulverbetts. Als Ausgangsmaterial eignen sich dabei sowohl etliche Metalle als auch Kunststoffe.

Ein drittes, noch sehr junges Verfahren ist das Laserauftragsschweißen. Der Laser schmilzt dabei Metallpulver auf, welches ihm in einem inerten Gasstrom zugeführt wird. Gleichzeitig schmilzt er eine dünne Randschicht der vorherigen Lage auf, sodass ein schmelzmetallurgischer Verbund entsteht. Pro Lage kann typischerweise eine Schichtdicke von 0,3 mm bis 1 mm aufgetragen werden.

Geeignet ist dieses Verfahren nicht nur zur generativen Fertigung von Neuprodukten, sondern auch für Reparaturen. Sogar höchst belastete Teile wie Turbinen- und Triebwerksschaufeln lassen sich damit „runderneuern“. Den Beweis liefert die Hamuel Maschinenbau GmbH & Co. KG. Ihre komplexen Hybridmaschinen – eine Kombination aus 3-D-Scanner, 5-Achs-Bearbeitungszentrum und Auftragsschweißgerät – sind bereits im Serieneinsatz. Geschäftsführer Uwe Wenzel erklärt deren Funktionsweise: „Alle Bearbeitungsschritte passieren in einer Maschinenaufspannung. Zunächst wird das gesamte Werkstück gescannt. Dann wird die Schadstelle herausgefräst. Dabei wird darauf geachtet, möglichst viel vom Original zu erhalten. Gleichzeitig wird eine ideale Ausgangsbasis für den Materialauftrag geschaffen. Anschließend wird das Metallpulver aufgeschweißt und im Rahmen der Präzisionsnachbearbeitung µm-genau gefräst.“ Ergebnis: In rund 90 % aller Fälle kann die aufgearbeitete Turbinenschaufel wieder eingesetzt werden. Zum Vergleich: Bei den bisher üblichen, manuell ausgeführten Schweißarbeiten beträgt die Erfolgsquote nur rund 25 %.

Am häufigsten wird der Laser zum Beschriften und Gravieren eingesetzt. Das Beschreiben geschieht auf drei Wegen – abhängig vom Substrat. Bei organischen Materialien – etwa Papier oder Leder – löst der Laser durch eine lokale Aufheizung eine chemische Umwandlungsreaktion aus. Anders ausgedrückt: Er hinterlässt ein Brandzeichen.

Bei Kunststoffen wird meist ein Farbabtrag genutzt. Dazu werden zunächst verschiedenfarbige Schichten aufeinandergeklebt. Anschließend trägt der Laser die obere Hälfte des Laminats ab, um den Untergrund durchschimmern zu lassen.

Bei metallischen Oberflächen wird der „Anlauf-Effekt“ genutzt. Dahinter verbergen sich Oxidationsprozesse, die mittels Laserenergie punktgenau initiiert werden.

Das Gravieren ist ein spanabhebender Vorgang: Teile des Substrats werden mittels gepulstem Laser verdampft. Entstehende Markierungen lassen sich kaum entfernen. Dementsprechend wird das Verfahren u.a. genutzt, um Metallteile – etwa Kugellager – als Original zu kennzeichnen.

Eine spezielle Anwendung der Gravur hat die Acsys Lasertechnik GmbH jetzt vorgestellt: Sie bringt dreidimensionale Mikrostrukturen von Spanleitstufen und Spanteilern in Schneidplatten ein. Selbst vor härtesten Werkstoffen – etwa polykristalinem Diamant (PKD) oder kubischem Bornitrid (CBN) – schrecken die Kornwestheimer nicht zurück. „Durch die gelaserten Strukturen wird der Span früher gebrochen“, erklärt Pressesprecher Thilo von Grafenstein. „Das wiederum erhöht die Lebensdauer des Werkzeugs. Denn die einwirkenden Kräfte werden effektiver verteilt.“

Auch beim Reinigen leisten Laser große Dienste. Beispielsweise befreien sie CFK-Formen von Prozessrückständen. Das Funktionsprinzip ist einfach: Die Schmutzschicht absorbiert die kurz gepulste, intensive Strahlung und verdampft schlagartig. Übrig bleibt blankes Metall, das nicht einmal erwärmt wird.

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