Gezielt verstärkt: Laserauftragschweißen optimiert den Leichtbau

Werkstoffe 08. 05. 2020
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Eine neue Anwendung für das additive Laserauftragschweißen wollen die Automotive Center Südwestfalen GmbH (acs) aus Attendorn und das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT aus Aachen im Verbundprojekt LAVAL angehen. Im Mittelpunkt steht die Validierung eines Verfahrens, mit dem sich Stahl- und Aluminiumbleche mit Hilfe des Laserauftragschweißens lokal verstärken lassen. In Grundlagenstudien wurde eine Erhöhung der Lastaufnahme fast um das Drei­fache nachgewiesen – bei minimaler Gewichtszunahme. Für LAVAL werden nun Industriepartner mit Problemstellungen aus dem Leichtbau mit Blechwerkstoffen gesucht, für die im Verbundprojekt Lösungen erarbeitet werden sollen.

2017 startete das Fraunhofer ILT aus Aachen mit Partnern aus Industrie und Forschung das mittlerweile erfolgreich ­abgeschlossene AIF-Projekt Materialeffiziente Herstellung belastungsangepasster Blechbauteile mit durch Laser additiv aufgebrachten flexiblen Verstärkungszonen. Im Mittelpunkt standen Grundlagenstudien zur Kombination der klassischen Blechumformung mit dem addi­tiven Laserauftragschweißen. Mit Hilfe der additiven Fertigung haben wir Blechbau­teile vor und nach der Blechumformung lokal verstärkt, erklärt Rebar Hama-Saleh, Wissenschaftler am Fraunhofer ILT. Zwei Anwendungsfälle – ein Kragenzug und der Deckel eines Hydrowandlers – zeigten bereits im Labor das enorme Potenzial dieses Hybridverfahrens auf. Durch lokale Aufdickung des Blechs mit artgleichem Material ließ sich zum Beispiel die Lastaufnahme des Kragenzugs um 264 Prozent erhöhen

Leichtbau neu gedacht dank ­gezielter Blechverstärkung

Der sogenannte Patch erhöht dabei das Gesamtgewicht um nur 4,3 Prozent. Simulationen und Validierungen bestätigen die Machbarkeit. Es bietet sich daher eine neue Form des Leichtbaus, denn nun lassen sich Bleche deutlich dünner dimensionieren. Die Patches kommen gezielt nur noch an Stellen zum Einsatz, an denen Verstärkung benötigt wird – etwa weil dort ein Gewinde geschnitten werden muss. Dadurch lässt sich auch das akustische NVH-Verhalten des Blechs (Noise, Vibration, Harshness) gezielt optimieren.

Das Verfahren bietet sich daher als Alternative etwa zum Schweißen, Löten oder Kleben von Patches an, die als effektives Mittel zur belastungsangepassten Blechdickenverteilung dienen. Nach Aussage von Hama-Saleh können im Gegensatz zu den konventionellen Verfahren die Wissenschaftler mit der additiven Fertigung Patches dreidimensional dort auftragen, wo sich die Lastspitze befindet.

Das pulverbasierte Laserauftragschweißen kann Schicht um Schicht Verstärkungen mit höchster geometrischer Flexibilität ­auftragen, die sich individuell in ihrer Form anpassen lassen. Die Studien ergaben außerdem, dass der vollständige Stoffschluss und die Mate­rialvielfalt für maximale Haftung sorgen. Es lassen sich Hama-Saleh zufolge auch die Oberflächengüte individuell einstellen und artfremde Patch-Werkstoffe verwenden, um zum Beispiel Korrosion entgegenzuwirken. Insbesondere lasse sich das Verfahren nutzen, um Derivate und Kleinserien etwa im ­Karosseriebau ohne zusätzliche teure Werkzeuge herzustellen.

Partner gesucht für das PNF-Projekt LAVAL

Auf dieser Basis wollen das acs aus Attendorn, ein Zusammenschluss von Industriefirmen im automobilen Leichtbau, und das Fraunhofer ILT das Forschungsprojekt LAVAL (Lokal verstärkte Blechhalbzeuge durch additives Laserauftragschweißen) starten. Es soll anhand von konkreten Aufgabenstellungen aus der Industrie das Verfahren für Stahl- und Aluminiumbleche validieren. Im Mittelpunkt des PNF-Projekts (PNF – Praxisnahes Forschen und Entwickeln) steht die Bearbeitung eines innovativen Themenfelds für Projektteilnehmer, die eine komplexe Aufgabenstellung nicht allein angehen wollen. PNF-Projekte arbeiten nach dem Crowdfunding-Prinzip: Erst wenn genügend zahlende Partner mitmachen, startet das Projekt. Für eine Teilnahme spricht, dass acs und Fraunhofer ILT die notwendige Expertise – Umformtechnik auf der einen und Lasertechnik auf der anderen Seite – in das Projekt einbringen. Gefragt sind Partner aus Industrie und Forschung, die Fragestellungen aus ihrer Praxis beisteuern.

Text zum Titelbild: Das Projekt LAVAL soll das Laserauftragschweißen zu einer prozesssicheren Technik weiterentwickeln, mit der sich Blechhalbzeuge gezielt lokal verstärken lassen (© Fraunhofer ILT, Aachen)

 
Mit dem Laserauftragschweißen lassen sich Verstärkungen mit höchster geometrischer Flexibilität auftragen – gezeigt sind hier eine verstärkte Kragenzugprobe mit Patches aus Stahl (links) und eine nicht verstärkte Probe (rechts) (© Fraunhofer ILT, Aachen)

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