Laserschweißen Sandwichstrukturen und Bleche mittels Laser fügen

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Fraunhofer-Institut für Werkstoff und Strahltechnik IWS

Forscher des Fraunhofer-Instituts IWS haben einen Laserprozess entwickelt, der filigrane Hohlkammerstrukturen mit Deckblechen zu leichten Sandwichplatten verschweißt.

Moderner Leichtbau hilft längst in der Automobil- und Flugzeugindustrie, Kraftstoff und Material zu sparen und die Umwelt zu entlasten. Viele Ingenieure setzen statt schwerer Stahlplatten häufig Sandwichplatten ein. Diese sind trotz ihres bedeutend geringeren Gewichts im Vergleich zu massivem Stahl belastbar genug für Zwischenwände und -decken in Fahrzeugen, Flugzeugen oder Hallen.

Solche Sandwichplatten und Profile bestehen aus waben-, trapez-, steg- oder kugelartigen Hohlkammerstrukturen. Typische Ausgangsmaterialien sind dünner Stahl, Aluminium, Kunststoffe oder andere Werkstoffe. Auf diese Innenstrukturen schweißen oder kleben die Hersteller beidseitig dünne Bleche.

Klassisches Strangpressen stößt an Grenzen

So hat ein Waggonbau-Unternehmen Leichtbauprofile aus Aluminium für seine Fahrzeugtechnik verwendet. Zum Einsatz kam hierbei bisher das Strangpressverfahren. Nachteil: Es ermöglicht keine beliebig dünnen Innenstege. Etwa 1,5 Millimeter galten hier als technologisch bedingte Untergrenze. Mit dieser Herausforderung trat das Unternehmen an das Fraunhofer IWS heran. Der Wunsch: Möglichst viel Material und Gewicht einzusparen beziehungsweise filigrane Innenstrukturen zu verwenden.

Die Mitarbeiter des Fraunhofer IWS lösten diese Herausforderung mit einer Laserschweiß-Walzanlage. Durch diese Anlage führen sie eine flexible Kernlage aus sehr leichten Innenstrukturen zwischen zwei Walzen, über die sich je ein Deckblech oben und unten abrollt. Dabei zielen Scanner-gesteuerte Laser schräg von beiden Seiten in die dünne Spalte zwischen Kernlage und Deckblech.

Dort erhitzen sie die Metalloberflächen punktgenau. Dabei entstehen lokal – abhängig vom gewählten Blechmaterial – Temperaturen zwischen 660 und über 1.400 Grad Celsius. Die Walzen pressen dann die leicht aufgeschmolzenen Oberflächen von Kernlage und Decke so fest zusammen, dass sie sich dauerhaft verbinden.

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Die neue, laserbasierte „Sandwichplattierung“ biete viel technologisches, wirtschaftliches wie auch ökologisches Potenzial für die Industrie, betonen die Forscher: „Mit dieser Technologie lassen sich Leichtbauplatten und -profile deutlich schneller und kostengünstiger herstellen als mit herkömmlichen Methoden wie dem Strangpressen“, sagt Andrea Berger, Forscherin am Fraunhofer IWS. „Zudem kommt das neue Verfahren ohne Klebstoffe und andere Zusatzmaterialien aus. Dies erleichtert das Recycling der damit produzierten Leichtbaustrukturen.“

Laser-Verfahren drückt Energieverbrauch und erleichtert Recycling

Solche besonders leichten Platten lassen sich im rollenden Verfahren in einem Durchlauf herstellen. Im Vergleich zu klassischen Methoden wie etwa dem Strangpressen bei hohen Temperaturen spart das Laserschweißen viel Energie, da das energiereiche Licht die Metalloberflächen nur hauchdünn lokal aufschmelzen muss.

Für die preisgünstige Massenproduktion eignet es sich zudem. Schon der Laborprototyp kommt auf ein hohes Fertigungstempo. „Zum industriellen Maßstab weiterentwickelt, könnten derartige Anlagen mehr als zehn laufende Meter Leichtbaublech pro Minute schaffen“, schätzt Andrea Berger. Zudem lassen sich solche Maschinen schnell auf neue Profil- oder Plattenstrukturen umrüsten.

Strangpressen hingegen benötigen bei jeder Anwendung ein anderes Werkzeug, wenn der Kunde ein neues Plattenmodell bestellt. Per Laser-Sandwichplattierung lassen sich zudem nur noch wenige Zehntel Millimeter dünne, stabile Strukturen erzeugen. Dies entschärft zum Beispiel das erwähnte Dilemma beim Waggonbau.

Dieser breitere Leichtbaueinsatz:

• reduziert den Materialverbrauch in der Zulieferindustrie

• kann das Gewicht von Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen senken und

• fossile Brennstoffe oder Strom sparen

Ein weiterer ökologischer Nutzen ergibt sich am Ende des Bauteillebenszyklus: Lasergefügte Sandwichplatten enthalten weder Klebstoff noch Lötmittel oder andere Fremdstoffe, die später in Recyclinganlagen mühsam wieder getrennt werden müssten.

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Anwendungen im Fahrzeugbau absehbar

Marko Seifert, Abteilungsleiter Wärmebehandeln und Plattieren am Fraunhofer IWS, sieht als mögliche frühe Anwender des neuen Verfahrens unter anderem Zulieferbetriebe für Werften und Fahrzeugbauer. Erste Einsatzszenarien könnten zum Beispiel leichte Treppen oder auch Schiffszwischenwände sein, in denen sich dank der hohlen Innenstrukturen der Platten zum Beispiel Stromkabel unsichtbar verlegen lassen.

Auch für Lkw-Anhänger und den Hallenbau könnte sich die neue Technik rasch durchsetzen. Für die nächsten Schritte suchen die Fraunhofer-Forscher nach Partnern, um die Idee in die Anwendung zu bringen.

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