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Gewichtseinsparung durch lasergestützte Hybridverfahren im Automobilbau

02.07.2014

Im März diesen Jahres startete das BMBF-geförderte Verbundvorhaben »KLasse« zur Entwicklung eines Kombinationsverfahrens zum Laserschneiden und zur lokalen Laserentfestigung von Bauteilen aus hochfesten pressgehärteten Stählen.

Gemeinsam mit Automobilherstellern und -zulieferern, Partnern aus dem Bereich Stahlherstellung sowie Laser- und Anlagenbau und dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT soll das Konsortium neben verbesserter Crashperformance zur Reduzierung des Gewichts von Fahrzeugen und somit zur Erhöhung der Energieeffizienz im Automobilbereich beitragen.


Laserstrahlschneiden einer B-Säule.

Fraunhofer ILT, Aachen


Wärmebehandlung mit Laserstrahl an einer B-Säule.

Fraunhofer ILT, Aachen

In der Automobilindustrie sind aufgrund ökonomischer, ökologischer wie auch politischer Zwänge Maßnahmen zum effizienteren Energieeinsatz gefordert. Eine wichtige Stellschraube ist die Reduzierung des Fahrzeuggewichts, wobei gleichzeitig die Anforderungen an die Fahrzeugsicherheit steigen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, kommen zunehmend Bauteile aus pressgehärteten hochfesten Stählen zum Einsatz.

Diese Stähle erreichen bei einer geringeren Blechstärke und damit geringerem Gewicht ein gleich gutes oder sogar verbessertes Crashverhalten von PKW-Strukturen wie zum Beispiel in B-Säulen oder im seitlichen Schweller. Die hohe Festigkeit dieser Werkstoffe hat jedoch auch zu notwendigen Änderungen bei der Weiterbearbeitung wie dem Beschneiden und dem Fügen geführt.

Als Beschnittverfahren hat sich das Laserschneiden etabliert, da mechanische Verfahren zu raschem Werkzeugverschleiß führen und bei neuen Güten mit einer weiter gestiegenen Festigkeit wie dem MBW-K®1900 nicht mehr einsetzbar sind. Allerdings entstehen beim Laserschneiden Aufhärtungen in der Randzone der Schnittkante.

Das Fügen erfolgt im Wesentlichen durch das weitverbreitete Punktschweißen. Beim Punktschweißen wiederum entsteht eine Wärmeeinflusszone mit deutlicher Härtereduzierung um den Schweißpunkt. Mechanische Verfahren für den Mischbau wie Clinchen oder Stanznieten sind aufgrund der hohen Festigkeit bei pressgehärteten Stählen kaum noch möglich.

Beide Effekte beeinträchtigen die Crasheigenschaften des Bauteils. Durch eine lokale Wärmebehandlung der Bauteile im Schnittkantenbereich und in den Fügezonen können die Eigenschaften des Werkstoffs lokal angepasst und somit seine Crasheigenschaften verbessert werden. Dieser zusätzliche Prozessschritt verursacht jedoch Mehrkosten. Aus ökonomischen Gründen ist es daher sinnvoll, die lokale Wärmebehandlung mit dem Schneidprozess zu kombinieren.

BMBF-Verbundprojekt »KLasse« kombiniert Laserverfahren zum Schneiden und zur Wärmebehandlung

Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und begleitet vom Projektträger VDI hat sich ein Konsortium aus zwei Automobilherstellern (AUDI und Ford), einem Automobilzulieferer (KIRCHHOFF AUTOMOTIVE), zwei Stahlanbietern (ThyssenKrupp Steel Europe und BILSTEIN), einem Laserhersteller (Laserline), einem Anlagenbauer (Arnold), einem Prüflabor (F+K) sowie einem Forschungsinstitut (Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT) zum Ziel gesetzt, ein Kombinationsverfahren zum Laserschneiden und zur lokalen Wärmebehandlung zu entwickeln.

Im Rahmen des Verbundvorhabens »KLasse« (Kombinationsverfahren zum Laserschneiden und zur lokalen Laserentfestigung von Bauteilen aus hochfesten pressgehärteten Stählen) werden bis zum Jahr 2017 nicht nur die Verfahrensgrundlagen erarbeitet, sondern auch eine Demonstratoranlage aufgebaut und erprobt.

Für das Kombinationsverfahren wird eine hybride Laserstrahlquelle bestehend aus einem Diodenlaser für die Wärmebehandlung und einem Faserlaser für das Schneiden entwickelt. Weiterhin arbeitet das Konsortium an der Entwicklung eines hybriden Schneid-Wärmebehandlungs-Kopfes. Beide Komponenten werden in einem Anlagenkonzept für die 3D-Bearbeitung integriert.

Das Fügen der entfestigten Zonen wird an einfachen Modellgeometrien untersucht, das Crashverhalten anhand von ausgewählten Demonstratorbauteilen durch Crashtests analysiert. Parallel zu den experimentellen Untersuchungen erfolgt eine Simulation des Werkstoffverhaltens, um das Verfahren später in die Fahrzeugentwicklung integrieren zu können.

Ansprechpartner

Dipl.-Phys. Sabrina Vogt
Gruppe Beschichten und Wärmebehandlung
Telefon +49 241 8906-633
sabrina.vogt@ilt.fraunhofer.de

Dr. Andreas Weisheit
Leiter der Gruppe Beschichten und Wärmebehandlung
Telefon +49 241 8906-403
andreas.weisheit@ilt.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Steinbachstraße 15
52074 Aachen

Weitere Informationen:

http://www.ilt.fraunhofer.de

Petra Nolis | Fraunhofer-Institut

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