Mit Laserlicht Herausforderungen im Leichtbau meistern

KFZ-Tür mit einer glasfaserverstärkten Versteifungsstrebe, formschlüssig verbunden mit einer hybriden Verbindungstechnik / Bildquelle: Fraunhofer ILT, Aachen

Laser machen viele Füge- und Schneidprozesse erst möglich. Dank neuer Lasertechnologien lassen sich beispielsweis Bauteile aus Metall mit Hohlraumstrukturen fertigen, die deutlich leichter aber genauso stabil wie massive Bauteile sind. Zudem können mit Lasern verschiedene Leichtbauwerkstoffe und Stähle miteinander kombiniert werden. Entsprechende Technologien stellt das Aachener Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT auf der LASER World of Photonics vom 22. bis 25. Juni 2015 in München vor.

SLM-gefertigter Querlenkerträger mit Hohlstruktur / Bildquelle: Fraunhofer ILT, Aachen

Leichtbaumaterialien sind beliebt. Aluminium zum Beispiel wird in den Karosserien von Autos verbaut und Flugzeugrümpfe bestehen bereits zu einem guten Teil aus leichten Kohlefaserverbundwerkstoffen. Noch aber sind die Leichtbautechnologien lange nicht ausgereizt. Durch neue Herstellungs- oder Verarbeitungsverfahren können Fertigungsprozesse noch schneller und die Materialien noch leichter und widerstandsfähiger gemacht werden. Dass dazu Lasertechnologien in besonderer Weise beitragen können, zeigt das Aachener Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT während der LASER World of Photonics gleich mit mehreren Exponaten. Das auffälligste Ausstellungstück sind zwei Meter hohe Lettern, die den Schriftzug LIGHT bilden. Die Buchstaben zeichnen sich dadurch aus, dass sie aus einer komplex geformten luftigen Gitterstruktur bestehen. So wie dieses per 3D-Druck hergestellte Sonderexponat aus Kunststoff entwickelt und fertigt das Fraunhofer ILT mit seinen Industriekunden metallische Bauteile, die durch eine Innenstruktur gewichtsoptimiert sind. Auch maßgeschneiderte und individuelle Bauteile und Werkzeuge können per 3D-Druck zu wirtschaftlich vertretbaren Kosten gefertigt werden. Die Buchstaben symbolisieren auf der Messe eindrucksvoll, wie leicht stabile Strukturen sein können.

Leicht und stabil dank Selective Laser Melting – Die Spezialität der Forscher ist aber vielmehr die Herstellung von Metallbauteilen mit vergleichbaren Leichtbaustrukturen. Dafür kommt am Fraunhofer ILT das in den vergangenen Jahren weiterentwickelte Selective Laser Melting-Verfahren (SLM) zum Einsatz, das in seinen Grundzügen dem 3D-Druck ähnelt. Dabei wird Pulver mit einem Laserstrahl gemäß CAD-Daten punktgenau aufgeschmolzen und zu wenige Mikrometer dünnen Schichten ausgehärtet. Schicht für Schicht wächst dann ein Bauteil in die Höhe. So haben die Forscher per SLM-Verfahren unter anderem einen sehr leichten und stabilen Querlenkerträger für einen Sportwagen entwickelt, an dem die Räder einzeln aufgehängt sind. Auch dieser Querlenkerträger birgt im Innern eine Hohlstruktur. Damit ist er zugleich leichter und stabiler als gegossene oder spanend bearbeitete Bauteile. Ohne SLM-Verfahren ließe sich eine so komplexe Hohlstruktur gar nicht realisieren.

Kleben ohne Kleber – Bauteile oder Fahrzeuge immer leichter zu machen, ist eine Herausforderung, denn die Gewichtsersparnis darf nicht zu Lasten der Stabilität gehen. Im Leichtbau werden heute deshalb oftmals verschiedene Werkstoffe miteinander kombiniert, die für verschiedene Anwendungszwecke jeweils am besten geeignet sind – Aluminium oder faserverstärkte Kunststoffe (FVK). Da die Stabilität von FVK leidet, wenn man sie mit anderen Bauteilen verschraubt, werden die verschiedenen Werkstoffe heute meist miteinander verklebt. Doch mit dem Klebstoff benötigt man einen dritten Werkstoff, der zudem altern und brüchig werden kann. Wegen dieser Nachteile beim Fügen von FVK und Metall setzen die ILT-Wissenschaftler daher auf laserbasierte Bearbeitungsverfahren. In diesem Falle brennen sie mit dem Laser in die Oberfläche des Metallbauteils ein 100 Mikrometer feines Muster mit kleinen Vertiefungen und Hinterschneidungen. Beim Zusammenfügen von Metall und FVK fließt dann der noch heiße und flüssige Kunststoff in die Vertiefungen hinein, so ILT-Laserexperte Dr. Alexander Olowinsky. Härtet der Kunststoff aus, verkrallt er sich in der Metalloberfläche.

Nicht nur FVK und Metall werden heute mehr und mehr miteinander kombiniert. Auch verschiedene Stahlsorten müssen je nach Anwendung miteinander verbunden werden. Um Gewicht zu reduzieren, setzen Autohersteller heute unter anderem pressgehärtete, hochfeste Stähle ein. Diese Stähle sind besonders stabil, sodass dünnere Bleche verwendet werden können, was wiederum zur Gewichtseinsparung beiträgt. Allerdings sind diese Stähle teuer. In einem Auto werden deshalb herkömmliche Stähle und pressgehärtete, hochfeste Stähle miteinander verschweißt. Die üblichen Verfahren wie das Punktschweißen führen aber dazu, dass die Festigkeit der hochfesten Stähle an der Schweißstelle nachlässt. In einem Kooperationsprojekt des Fraunhofer ILT mit mehreren Industrieunternehmen wurde deshalb ein alternatives Schweißverfahren entwickelt, das die Crashstabilität der hochfesten Stähle nicht beeinträchtigt. Während der Messe stellen die Forscher die verschiedenen Technologien anhand von diversen Exponaten wie dem Querlenkerträger vor.

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