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Gezielt verstärkt: Laserauftragschweißen optimiert den Leichtbau

04.03.2020

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.

Im Jahr 2017 startete das Fraunhofer ILT aus Aachen mit Partnern aus der 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.


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.

© Fraunhofer ILT, Aachen

»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 Bleches mit artgleichem Material ließ sich z. B. 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.

Individuelle Anpassung an unterschiedliche Anwendungsfälle

Das Verfahren bietet sich daher als Alternative etwa zum Schweißen, Löten oder Kleben von Patches an, die als effektives Mittel zur belastungsangepassten Blechdickenverteilung dienen. Hama-Saleh: »Im Gegensatz zu den konventionellen Verfahren können wir 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 auch die Oberflächengüte individuell einstellen und artfremde Patch-Werkstoffe verwenden, um z. B. Korrosion entgegen zu wirken«, meint Hama-Saleh. »Insbesondere lässt 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.

Proaktive Mitgestaltung an neuem Hybridprozess

Im Mittelpunkt des PNF-Projekts (»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.

Details zum geplanten Projekt LAVAL erfahren Interessenten von den Ansprechpartnern Christoph Stötzel vom Automotive Center Südwestfalen und bei Rebar Hama-Saleh vom Fraunhofer ILT.

AKL´20 – International Laser Technology Congress in Aachen

Mehr zu Theorie und Praxis des Laserauftragschweißens wird auf dem »AKL´20 – International Laser Technology Congress« in Aachen vorgestellt: beim Forum Additive Fertigung am 6. Mai, bei Vorträgen der Session Laserauftragschweißen am 8. Mai und live bei Vorführungen im Rahmen von Lasertechnik Live am Fraunhofer ILT am 7. Mai.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Rebar Hama-Saleh M. Sc.
Gruppe Werkstoffe für die additive Fertigung
Telefon +49 241 8906-626
rebar.hama-saleh@ilt.fraunhofer.de

Dr. Andreas Weisheit
Gruppenleiter Werkstoffe für die additive Fertigung
Telefon +49 241 8906-403
andreas.weisheit@ilt.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Steinbachstraße 15
52074 Aachen

Christoph Stötzel
Leiter Umformtechnik und Leiter Technikum
Telefon +49 2722 9784-519
c.stoetzel@acs-innovations.de

Automotive Center Südwestfalen GmbH
Kölner Straße 125
57439 Attendorn

Weitere Informationen:

http://www.ilt.fraunhofer.de
http://www.acs-innovations.de

Petra Nolis M.A. | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

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