Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Der Laser – ein elementarer Bestandteil der Umformtechnik

17.11.2009
Längst ist der Laser in Blechbearbeitung und Umformtechnik etabliert. Laserfügen, Lasertrennen, Oberflächenbearbeitung oder Lasermarkieren sind nur einige wenige Anwendungsbereiche, in denen ohne das „gebündelte Licht“ fast nichts mehr geht. Doch scheint das Feld der Laser-Anwendungen noch lange nicht vollständig beackert zu sein.

Die Werkstoffwelt in der Blechbearbeitung hat sich gewandelt. Den Forderungen nach Leichtbau kommen fast schon standardmäßig hochfeste Stähle, Titan, Magnesium oder Aluminium zur Anwendung. Dieser Wandel fordert auch ein Umdenken bei den Fertigungsprozessen, dort aber vor allem im Bereich der Umformung. Dabei spielt die Warmumformung eine gewichtige Rolle. Doch welche Wärmequelle würde sich für eine gezielte und effiziente Erwärmung der Bauteile besser eignen als der Laser? Diesen Vorteil scheinen die Laserverfahren derzeit voll auszuspielen.

Gerade in der Automobilindustrie wird gewichtsmäßig das meiste Blech verarbeitet und dafür werden zunehmend hochfeste Stähle zur Reduzierung des Fahrzeuggewichts oder zur Verbesserung des Chrash-Verhaltens eingesetzt. Die Umformbarkeit dieser Stähle ist jedoch, je nach Festigkeit, stark eingeschränkt. Mit Kaltumformung sind deshalb kaum brauchbare Ergebnisse zu erzielen.

Lokale Wärmebehandlung mit dem Laser entfestigt Platinen vor dem Umformprozess

In diesem Zusammenhang berichtet das Fraunhofer-Institut Lasertechnik (ILT) in Aachen von einem Forschungsprojekt bei dem vorgegebene Bereiche von Platinen durch eine lokale Wärmebehandlung mit dem Laserstrahl vor dem Umformprozess entfestigt wurden. Dabei wurden in Abhängigkeit von der Behandlungstemperatur sogenannte Anlasseffekte und Phasenumwandlungen erzielt die, in Zugversuchen ermittelt, eine deutliche Verminderung der Dehngrenze zeigten.

Im praktischen Zugversuch führte dies beim tiefziehen einer wärmebehandelten Platine aus MS-W 1200 zu einer Reduzierung der Umformkraft um zirka 20%. Erste Erfolge wiesen die Aachener Forscher auch bei der Umformung einer Automobil-B-Säule aus verzinktem DP 600 nach. Dort konnten das Formänderungsvermögen gesteigert und gleichzeitig Risse am Bauteil vermieden werden.

Das Fraunhofer-Institut Lasertechnik befasst sich auch mit weiteren Untersuchungen der Laserunterstützung im Stanz- und Umformbereich. Auch hier wurde wieder nachgewiesen, dass bereits kleine Vorwärmtemperaturen zu einer Abnahme der Formänderungsfestigkeit im Werkstoff führen und so zu einem Maximum an Umformgrad beitragen. „Der Einsatz von Laserstrahlung als Wärmequelle ermöglicht eine vergleichsweise schnelle Erwärmung des Materials“, sagt ILT-Leiter Prof. Dr. Reinhart Poprawe. Demnach können durch geeignete Strahlformung gezielt lokale einzelne Bereiche des Materials erwärmt werden. Die gute Regelbarkeit der Laserleistung ermöglicht exakt einstellbare Temperaturen im Material auch, wenn sich die Umgebungsbedingungen ändern sollten.

ILT favorisiert fasergeführte Laser-Systeme

Als Strahlquellen favorisieren die Aachener vor allem fasergeführte Systeme, die eine flexible Adaption an das Werkzeug ermöglichen. Dabei wäre auch eine direkte Integration von beispielsweise Laserdioden in das Werkzeug möglich. Optische Elemente formen dabei die Strahlung und führen sie durch die Werkzeugmatrize beziehungsweise durch transparente Werkzeugeinsätze aus Saphir direkt in das Werkzeug.

Mit Hochleistungsdiodenlasern arbeitet auch Dipl.-Ing. Michael Emonts vom Fraunhofer-Institut Produktionstechnologie (IPT), das ebenfalls in Aachen angesiedelt ist. Er befasst sich seit einiger Zeit mit der Verfahrens- und Systementwicklung des lasergestützten Scherschneidens. Motivation ist auch hier die Erweiterung der Verfahrensgrenzen bei gleichzeitiger Steigerung der Bearbeitungsqualität im Vergleich zum konventionellen Stanzen.

Fließvermögen des Blechwerkstoffs wird im Bereich der Scherzone gesteigert

„Dabei überlagert das laserunterstürzte Scherschneiden das konventionelle Scherschneiden mit einer lokalen, laserinduzierten Entfestigung des zu stanzenden Blechwerkstücks“, erläutert Emonts und meint: „Dadurch wird das Fließvermögen des Blechwerkstoffs gezielt im Bereich der Scherzone derart gesteigert, so dass der Glattschnittanteil vergrößert und die Schneidkräfte reduziert werden. Eine Verminderung gilt auch für den Schnittschlag und die Geräuschemissionen.“

So beruht das Verfahrensprinzip des laserunterstützten Scherschneidens auf einer gezielten und kurzzeitigen Werkstofferwärmung durch lokale Absorption von Laserenergie auf der Blechunterseite kurzzeitig vor dem Werkzeugeingriff des Schneidstempels auf der Blechoberseite. Die Untersuchungen des laserunterstützten Scherschneidens wurde mit einer handelsüblichen Stanz-Nibbel-Maschine mit 280 kN Stanzkraft des Herstellers Boschert aus Lörrach durchgeführt. Mittlerweile macht die Scheuermann + Heilig GmbH in Buchen als industrieller Pilotanwender seine ersten Erfahrungen mit dem laserunterstützten Scherschneidverfahren.

Auch spröde Werkstoffe mit dem Laser biegen

Auch vor dem Biegen noch so spröder Werkstoffe macht der Laser nicht halt. Denn zusammen mit der TU Wien hat der Ditzinger Werkzeugmaschinenbauer Trumpf ein einzigartiges Verfahren entwickelt, das bisher nicht umformbare, spröde Materialien wie Magnesium-, Aluminium- oder Titan-Legierungen bearbeitbar macht – das laserunterstütztes Gesenkbiegen.

Spröde Werkstoffen wie hochfeste Stähle, Aluminium, Titan, Magnesium oder Wolfram brechen wegen der Dehnung an der Außenseite des Biegewinkels schon bei geringer Zubiegung. Wird das Bauteil jedoch erwärmt, typischerweise auf 150 bis 300 °C, lässt sich das verhindern. Denn auf diese Weise steigt bei zahlreichen Materialien die Bruchdehnung um ein Vielfaches.

Selektives Erwärmen der Biegelinie ist völlig ausreichend

„Bei Versuchen in der Vergangenheit wurden Werkstücke im Ofen oder durch direkte Flammen erwärmt, was allerdings zeitintensiv war und leicht die Oberflächen beschädigte“, berichtet Prof. Dieter Schuöcker, Leiter des Instituts für Fertigungs- und Hochleistungslasertechnik an der TU Wien. „Zudem ist ein selektives Erwärmen der Biegelinie völlig ausreichend. Im Gegensatz zu Plasma- oder Induktionstechnologien kann der Laserstrahl dies auf einer sehr schmalen Spur leisten und stellt deshalb für diese Anforderung die beste Lösung dar.“

Laser erobert sich in der Fertigungstechnik Anwendung um Anwendung

Das laserunterstützte Gesenkbiegen kann auf einer regulären Abkantpresse erfolgen. Während zunächst eine kleine Kaltkantung das Werkstück versteift, beginnt der im Unterwerkzeug verbaute Laser mit der lokalen Erwärmung des Materials. Ein im Oberwerkzeug integriertes Thermoelement prüft, ob ein vorgegebenes Temperaturniveau erreicht ist, das sich je nach Materialart und -dicke variieren lässt. Dann wird der Biegevorgang direkt fortgesetzt, und auch die Erwärmung geht weiter. So ist sichergestellt, dass schnell zur richtigen Zeit und am richtigen Ort nur soviel Wärme eingebracht wird, wie tatsächlich nötig ist.

Wie die Beispiele zeigen, ist der Laser in der Fertigungstechnik weiter auf dem Vormarsch und erobert sich Anwendung um Anwendung. Es gäbe noch zahlreiche andere Bereiche zu nennen wo der Laser als Wärmequelle eine entscheidende Rolle spielt. Diese werden wir an dieser Stelle zur gegeben Zeit aufgreifen.

Dietmar Kuhn | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/messundprueftechnik/articles/239006/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Maschinenbau:

nachricht 3D-Druck von Metallen: Neue Legierung ermöglicht Druck von sicheren Stahl-Produkten
23.01.2018 | Universität Kassel

nachricht Luftturbulenzen durch Flugzeuge bald beherrschbar
08.12.2017 | Universität Rostock

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Optisches Nanoskop ermöglicht Abbildung von Quantenpunkten

Physiker haben eine lichtmikroskopische Technik entwickelt, mit der sich Atome auf der Nanoskala abbilden lassen. Das neue Verfahren ermöglicht insbesondere, Quantenpunkte in einem Halbleiter-Chip bildlich darzustellen. Dies berichten die Wissenschaftler des Departements Physik und des Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel zusammen mit Kollegen der Universität Bochum in «Nature Photonics».

Mikroskope machen Strukturen sichtbar, die dem menschlichen Auge sonst verborgen blieben. Einzelne Moleküle und Atome, die nur Bruchteile eines Nanometers...

Im Focus: Optical Nanoscope Allows Imaging of Quantum Dots

Physicists have developed a technique based on optical microscopy that can be used to create images of atoms on the nanoscale. In particular, the new method allows the imaging of quantum dots in a semiconductor chip. Together with colleagues from the University of Bochum, scientists from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute reported the findings in the journal Nature Photonics.

Microscopes allow us to see structures that are otherwise invisible to the human eye. However, conventional optical microscopes cannot be used to image...

Im Focus: Vollmond-Dreierlei am 31. Januar 2018

Am 31. Januar 2018 fallen zum ersten Mal seit dem 30. Dezember 1982 "Supermond" (ein Vollmond in Erdnähe), "Blutmond" (eine totale Mondfinsternis) und "Blue Moon" (ein zweiter Vollmond im Kalendermonat) zusammen - Beobachter im deutschen Sprachraum verpassen allerdings die sichtbaren Phasen der Mondfinsternis.

Nach den letzten drei Vollmonden am 4. November 2017, 3. Dezember 2017 und 2. Januar 2018 ist auch der bevorstehende Vollmond am 31. Januar 2018 ein...

Im Focus: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

Veranstaltungen

15. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

23.01.2018 | Veranstaltungen

Gemeinsam innovativ werden

23.01.2018 | Veranstaltungen

Leichtbau zu Ende gedacht – Herausforderung Recycling

23.01.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Lebensrettende Mikrobläschen

23.01.2018 | Biowissenschaften Chemie

3D-Druck von Metallen: Neue Legierung ermöglicht Druck von sicheren Stahl-Produkten

23.01.2018 | Maschinenbau

CHP1-Mutation verursacht zerebelläre Ataxie

23.01.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics