Energie- und Ressourceneffizienz werden zunehmend wichtiger. Für den konventionellen Stahlbau hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS daher gemeinsam mit Partnern eine Alternative entwickelt, die nicht nur eine Prozesstechniklösung darstellt, sondern auch die Grundlage für Hardware- und Lasersicherheit bildet.
Neben einer schonenderen Bearbeitung hochfester Werkstoffe werden deutlich verringerte Energieaufwendungen und Kosten bei gleichzeitig stark erhöhter Prozessgeschwindigkeit möglich. Verglichen mit konventionellen Fügeverfahren lässt sich der Energieeintrag ins Bauteil um bis zu 80 Prozent reduzieren. Das anschließende Richten des Bauteils entfällt sogar ganz.
In vielen technischen Bauwerken steckt ein Anwendungsbeispiel für den Stahlbau. Egal ob Containerschiffe, Schienenfahrzeuge, Brücken oder Windkrafttürme, in allen diesen Konstruktionen können mehrere 100 Meter Schweißnaht vorhanden sein. Üblicherweise kommen dafür konventionelle industrielle Verfahren wie das Metall-Aktivgas-Schweißen oder das Unterpulverschweißen zum Einsatz. Das Problem dabei: Durch die geringe Intensität des Lichtbogens fließt ein Großteil der aufgewendeten Energie nicht in den gewünschten Schweißprozess, sondern geht in Form von Wärme in das Bauteil verloren.
Der Energiebedarf für die Nachbehandlung der Schweißnaht liegt vielfach in ähnlichen Größenordnungen wie derjenige für den eigentlichen Schweißprozess. »Diese energieintensiven Verfahren rufen eine erhebliche thermische Schädigung des Werkstoffs hervor und führen zu starken Verzugserscheinungen der Konstruktion – somit zu hohen Kosten durch nachträgliche Richtarbeit«, betont Dr. Dirk Dittrich, der am Fraunhofer IWS die Gruppe Laserstrahlschweißen leitet.
Die erfahrenen Wissenschaftler und Ingenieure des Technologiefelds Trennen und Fügen erforschen ein weites Gebiet der Lasermaterialbearbeitung. Dafür stehen umfangreich mit aktuellen Laserquellen und Anlagentechnik ausgestattete Labore zur Verfügung. Der Fokus liegt auf fügenden, abtragenden, schneidenden Prozessen sowie Oberflächen- und Werkstoffmodifikationen. Entwickelt werden zusätzlich neue komplexe Prozesse, etwa für die Elektromobilität, den Leichtbau oder die Wasserstoffwirtschaft. Die Simulation und Auslegung unterstützt, ergänzt und ersetzt in ganzheitlicher Betrachtung vom Laserprozess bis hin zum Bauteil die experimentellen Arbeiten. Das verbindende Element zwischen Prozess, Simulation, Werkstoff und Laser stellt die Entwicklung systemtechnischer Lösungen dar, deren Schwerpunkt auf der Optimierung verschiedener Teilschritte innerhalb der Wertschöpfungskette liegt. Bereits heute widmet sich das Technologiefeld intensiv dem Trend geregelter Prozesse und Deep-Learning-Anwendungen in der Industrie, um das enorme Automatisierungspotenzial von Maschinen zu erschließen.
Werkstoff und Laser mit System: Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden entwickelt komplexe Systemlösungen in der Laser- und Werkstofftechnik. Wir verstehen uns als Ideentreiber, die Lösungen mit Laseranwendungen, funktionalisierten Oberflächen sowie Werkstoff- und Prozessinnovationen entwickeln – von einfach integrierbaren Individuallösungen über kosteneffiziente Mittelstandslösungen bis hin zu industrietauglichen Komplettlösungen. Die Forschungsschwerpunkte liegen in den Branchen Luft- und Raumfahrt, Energie- und Umwelttechnik, Automobilindustrie, Medizintechnik,
Maschinen- und Werkzeugbau, Elektrotechnik und Mikroelektronik sowie Photonik und Optik. In den fünf Zukunfts- und Innovationsfeldern Batterietechnik, Wasserstofftechnologie, Oberflächenfunktionalisierung, Photonische Produktionssysteme und Additive Fertigung schaffen wir bereits heute die Basis für die technologischen Antworten von morgen.
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