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28.05.2019 - 09:28

Wasserdicht dank flinker Laser

Fraunhofer-Ingenieure aus Dresden haben ein neues Laserschweißverfahren entwickelt, das auf einem schnell pendelnden Laserstrahl basiert.

Diese Technologie unter der Bezeichnung „remoweld®FLEX“ eignet sich für qualitativ besonders anspruchsvolle Prozesse – insbesondere für Bauteile, die gegen Wasser und andere unerwünschte Umwelteinflüsse mediendicht verschlossen werden müssen. Dazu gehören bislang als nahezu unschweißbar geltende Gehäuse für elektrische und elektronische Bauteile, Wärmetauscher und Kühlung, die häufig aus Alu-Druckguss bestehen. An der Entwicklung beteiligt waren das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS sowie die Maschinenfabrik Arnold aus Ravensburg.

Die neuen Schweißköpfe aus Dresden sind nicht nur für den Elektroautomobilbau interessant, ist Dr. Dirk Dittrich überzeugt, der am Fraunhofer IWS die Gruppe für Laserstrahlschweißen leitet. „Wir sehen viele Anwendungsszenarien“, betont er. Wenn die Industrie künftig beispielsweise motornahe Kühlwasserkreisläufe mit hochbelastbaren Laserschweißnähten statt mit Schrauben und Kunststoff abdichten kann, dürfte dies die Lebensdauer und die Ausfallsicherheit der Motorkühlungen deutlich verbessern.

Widerspenstige Alu-Druckgussteile

Das neue Verfahren ist überall dort zu empfehlen, wo schwer schweißbare Materialien im Einsatz sind und wo Bauteile bisher nur mit klassischen Mitteln – und teilweise noch per Hand – abzudichten sind. Ein Beispiel dafür ist die Elektroautoproduktion. In diesen Fahrzeugen müssen Batterien und andere elektrische Steuergeräte gekühlt werden. Die Elektrik aber darf wiederum nicht mit dem Kühlwasser in Kontakt kommen, sonst entstehen Kurzschlüsse. Daher werden Steuergeräte oft durch Gehäuse aus leichtem Aluminium-Druckguss geschützt. Nach der Montage werden sie durch aufgeschraubte Deckel und Kunststoffdichtungen verkapselt. Das ist zwar umständlich, war bisher aber kaum anders zu lösen. Denn Aluminium-Druckguss ließ sich nicht zuverlässig genug wasserdicht verschweißen. Der Grund dafür sind gasgefüllte Hohlräume im Alu-Druckguss. Schneidet ein klassischer Laser diese „Kavitäten“ an, ähnelt der Effekt einem abrupt geöffneten Luftballon: Das eingeschlossene Gas entweicht schlagartig aus dem Hohlraum und schleudert die flüssige Metallschmelze gleichzeitig heraus, die der Laser eben erzeugt hat. Erkaltet die Naht in diesem Zustand, bleiben Fehlstellen zurück. Durch solche kleinen Undichtheiten könnte letztlich Wasser die Elektrik erreichen.

Feiner Laserstrahl rasant bewegt

Die IWS-Entwickler haben einen Weg gefunden, wie sich solche Alugussteile trotzdem sicher und wasserdicht verschweißen lassen: Im „remoweld®FLEX“-Arbeitskopf pendelt der Laserstrahl mit einem geringen Strahldurchmesser von nur etwa einem Zehntelmillimeter rasant über das Material. Vorstellen könne man sich dies wie den Einsatz einer Präzisionsnadel anstelle eines groben Brenners, erklärt Dirk Dittrich. Diese „Lichtnadel“ schwingt mehrere Tausend Mal pro Sekunde im Schmelzbad: Das ESL2-100 Modul, eine am Fraunhofer IWS entwickelte Systemtechnik um Laser-Scanner direkt in die Anlagensteuerung (SPS) einzubinden, steuert die Bewegung präzise und reaktionsschnell pendelnd entlang der gewünschten Konturen. Dabei entsteht eine sehr gleichmäßige und vor allem wasserdichte Schweißnaht.

„Wir haben damit eine sehr attraktive Lösung für mittelständische Automobilzulieferer und viele andere Industriekunden gefunden“, ist der Gruppenleiter überzeugt. Möglich geworden sei dies durch ein gut abgestimmtes Zusammenspiel von Laser-Scannern, Spiegeloptiken, Echtzeitsteuerungen und weiteren Systemkomponenten. Zudem sind die Lasermodule flexibel erweiterbar. Sie lassen sich zum Beispiel mit Hochgeschwindigkeitskameras für die Echtzeitqualitätskontrolle koppeln. Auch erfasst die Anlage zahlreiche Sensordaten während des Schweißprozesses, die Hinweise auf Optimierungspotenziale geben können.

Wichtiger Schritt zu Industrie 4.0 und Digitalisierung

Insofern ist die „remoweld®FLEX“-Technologie auch ein wichtiger Schritt hin zur Industrie 4.0: „Laserschweißprozesse ermöglichen einen sehr hohen Automatisierungsgrad im Vergleich beispielsweise zum Schrauben“, erklärt Dirk Dittrich. Dadurch lassen sich Digitalisierungslücken in der Produktion schließen. Denn die Arbeitsschritte eines Monteurs, der einen Anschlussstutzen manuell abzudichten versucht, lassen sich beispielsweise nur schwer in computerfassbare Werte übersetzen. Ein Laserschweißkopf dagegen arbeitet ohnehin digital.

Anderseits können die Nutzer aus den ausgelesenen Prozessdaten digitale Bauteilakten gewinnen. Diese detaillierten elektronischen Dokumentationen sind in immer mehr Branchen gefragt, um spätere Regressansprüche bei Defekten regulieren zu können und um in der Massenproduktion auf eine gleichbleibend hohe Fertigungsqualität zu kommen. „Hier sind durch unsere Verfahren Riesenfortschritte möglich“, schätzt der Gruppenleiter ein.

https://www.iws.fraunhofer.de

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28.05.2019 - 09:28

Wasserdicht dank flinker Laser

Fraunhofer-Ingenieure aus Dresden haben ein neues Laserschweißverfahren entwickelt, das auf einem schnell pendelnden Laserstrahl basiert.

Diese Technologie unter der Bezeichnung „remoweld®FLEX“ eignet sich für qualitativ besonders anspruchsvolle Prozesse – insbesondere für Bauteile, die gegen Wasser und andere unerwünschte Umwelteinflüsse mediendicht verschlossen werden müssen. Dazu gehören bislang als nahezu unschweißbar geltende Gehäuse für elektrische und elektronische Bauteile, Wärmetauscher und Kühlung, die häufig aus Alu-Druckguss bestehen. An der Entwicklung beteiligt waren das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS sowie die Maschinenfabrik Arnold aus Ravensburg.

Die neuen Schweißköpfe aus Dresden sind nicht nur für den Elektroautomobilbau interessant, ist Dr. Dirk Dittrich überzeugt, der am Fraunhofer IWS die Gruppe für Laserstrahlschweißen leitet. „Wir sehen viele Anwendungsszenarien“, betont er. Wenn die Industrie künftig beispielsweise motornahe Kühlwasserkreisläufe mit hochbelastbaren Laserschweißnähten statt mit Schrauben und Kunststoff abdichten kann, dürfte dies die Lebensdauer und die Ausfallsicherheit der Motorkühlungen deutlich verbessern.

Widerspenstige Alu-Druckgussteile

Das neue Verfahren ist überall dort zu empfehlen, wo schwer schweißbare Materialien im Einsatz sind und wo Bauteile bisher nur mit klassischen Mitteln – und teilweise noch per Hand – abzudichten sind. Ein Beispiel dafür ist die Elektroautoproduktion. In diesen Fahrzeugen müssen Batterien und andere elektrische Steuergeräte gekühlt werden. Die Elektrik aber darf wiederum nicht mit dem Kühlwasser in Kontakt kommen, sonst entstehen Kurzschlüsse. Daher werden Steuergeräte oft durch Gehäuse aus leichtem Aluminium-Druckguss geschützt. Nach der Montage werden sie durch aufgeschraubte Deckel und Kunststoffdichtungen verkapselt. Das ist zwar umständlich, war bisher aber kaum anders zu lösen. Denn Aluminium-Druckguss ließ sich nicht zuverlässig genug wasserdicht verschweißen. Der Grund dafür sind gasgefüllte Hohlräume im Alu-Druckguss. Schneidet ein klassischer Laser diese „Kavitäten“ an, ähnelt der Effekt einem abrupt geöffneten Luftballon: Das eingeschlossene Gas entweicht schlagartig aus dem Hohlraum und schleudert die flüssige Metallschmelze gleichzeitig heraus, die der Laser eben erzeugt hat. Erkaltet die Naht in diesem Zustand, bleiben Fehlstellen zurück. Durch solche kleinen Undichtheiten könnte letztlich Wasser die Elektrik erreichen.

Feiner Laserstrahl rasant bewegt

Die IWS-Entwickler haben einen Weg gefunden, wie sich solche Alugussteile trotzdem sicher und wasserdicht verschweißen lassen: Im „remoweld®FLEX“-Arbeitskopf pendelt der Laserstrahl mit einem geringen Strahldurchmesser von nur etwa einem Zehntelmillimeter rasant über das Material. Vorstellen könne man sich dies wie den Einsatz einer Präzisionsnadel anstelle eines groben Brenners, erklärt Dirk Dittrich. Diese „Lichtnadel“ schwingt mehrere Tausend Mal pro Sekunde im Schmelzbad: Das ESL2-100 Modul, eine am Fraunhofer IWS entwickelte Systemtechnik um Laser-Scanner direkt in die Anlagensteuerung (SPS) einzubinden, steuert die Bewegung präzise und reaktionsschnell pendelnd entlang der gewünschten Konturen. Dabei entsteht eine sehr gleichmäßige und vor allem wasserdichte Schweißnaht.

„Wir haben damit eine sehr attraktive Lösung für mittelständische Automobilzulieferer und viele andere Industriekunden gefunden“, ist der Gruppenleiter überzeugt. Möglich geworden sei dies durch ein gut abgestimmtes Zusammenspiel von Laser-Scannern, Spiegeloptiken, Echtzeitsteuerungen und weiteren Systemkomponenten. Zudem sind die Lasermodule flexibel erweiterbar. Sie lassen sich zum Beispiel mit Hochgeschwindigkeitskameras für die Echtzeitqualitätskontrolle koppeln. Auch erfasst die Anlage zahlreiche Sensordaten während des Schweißprozesses, die Hinweise auf Optimierungspotenziale geben können.

Wichtiger Schritt zu Industrie 4.0 und Digitalisierung

Insofern ist die „remoweld®FLEX“-Technologie auch ein wichtiger Schritt hin zur Industrie 4.0: „Laserschweißprozesse ermöglichen einen sehr hohen Automatisierungsgrad im Vergleich beispielsweise zum Schrauben“, erklärt Dirk Dittrich. Dadurch lassen sich Digitalisierungslücken in der Produktion schließen. Denn die Arbeitsschritte eines Monteurs, der einen Anschlussstutzen manuell abzudichten versucht, lassen sich beispielsweise nur schwer in computerfassbare Werte übersetzen. Ein Laserschweißkopf dagegen arbeitet ohnehin digital.

Anderseits können die Nutzer aus den ausgelesenen Prozessdaten digitale Bauteilakten gewinnen. Diese detaillierten elektronischen Dokumentationen sind in immer mehr Branchen gefragt, um spätere Regressansprüche bei Defekten regulieren zu können und um in der Massenproduktion auf eine gleichbleibend hohe Fertigungsqualität zu kommen. „Hier sind durch unsere Verfahren Riesenfortschritte möglich“, schätzt der Gruppenleiter ein.

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Photos of LASYS

  • LASYS 2020: PM Nr. 3

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    LASYS und BMWi bieten 2020 erneut eine Plattform für Start-ups.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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  • LASYS 2020: PM Nr. 3

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    Junge Unternehmen aus Deutschland profitieren vom geförderten Gemeinschaftsstand des BMWi zur LASYS 2020.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Vom 16. bis 18. Juni 2020 können sich Start-ups zu besonders attraktiven Konditionen vorzustellen einem internationalen Fachpublikum präsentieren.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Prof. Dr. Thomas Graf, Direktor des Instituts für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart und Veranstalter der Stuttgart Lasertage.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Vom 16. bis 18. Juni 2020 öffnet die LASYS – Internationale Fachmesse für Laser-Materialbearbeitung – in Stuttgart bereits zum siebten Mal ihre Tore. (Hauptbild)BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    An drei Messetagen stehen dann Lasersysteme, laserspezifische Maschinensubsysteme und Strahlquellen im Fokus von Ausstellern und Fachbesuchern.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Die LASYS 2020 in Stuttgart ist der „Place to be(am).BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Führende nationale und internationale Hersteller treffen hier auf Geschäftspartner mit konkreten Aufgabenstellungen und individuellen Anforderungen für Laser-Systemlösungen und -Applikationen.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Fachbesucher können auf der LASYS die Vielfalt des Lasers live erleben – 2018 waren 116 Maschinen vor Ort – und erhalten einen Eindruck wie leicht sich Komponenten integrieren lassen.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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  • Lasys 2020 PM Nr: 1

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    Die LASYS zeigt branchen- und materialübergreifend die Lasertechnologie in der industriellen Fertigung von morgen.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Der Mix aus Fachmesse und hochkarätigem Rahmenprogramm versammelt alle zwei Jahre die Experten aus Industrie und Wissenschaft in Stuttgart. Fester Bestandteil sind die Stuttgarter LasertageBILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Die LASYS als internationale Fachmesse für die Laser-Materialbearbeitung richtet sich an industrielle Anwender und hat sich seit 2008 zu einem Top-Termin für die Branche entwickelt.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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  • LASYS 2020: PM Nr. 6

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    LASYS bietet Planungssicherheit – neuer Termin 21. bis 23. Juni 2022BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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  • Lasys 2020: PM Nr. 4

    Lasys 2020: PM Nr. 4

    Bei der LED-Produktion beschriften die PowerLine E 8 QT Lasermarkierer von Coherent Leadframes (Träger) mit winzigen 2D-Matrixcodes, die aus Punkten von nur 43 Mikrometern Durchmesser bestehen.Coherent
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  • LASYS 2020: PM Nr. 5

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    Mit der neu entwickelten GL.smart von GFH, die bis zu 16 simultane Achsen birgt, lassen sich mittels UKP-Laserstrahlen vielseitige Mikrobearbeitungsaufgaben wirtschaftlich ausführen. Neben einer Kombinationsbearbeitung von Laserbohren, -drehen,- und -schneiden ist eine Output-Steigerung durch die Parallelbearbeitung auf zwei Stationen möglich.BILDNACHWEIS GFH GmbH
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    Mit der Einführung der BLIZZ-Laserserie von InnoLas Photonics steht ein Laser zum wirtschaftlichen Depaneling zur Verfügung. Berührungsloses, schnelles und staubarmes Laserschneiden von Platinen ist nun bei gleichzeitig sehr guter Qualität möglich, auch bei dünnen Substraten.BILDNACHWEIS InnoLas Photonics GmbH
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    Laseranlagen von LPKF ermöglichen es, dass sich mit Laser-Depaneling die Schnittflächen reduzieren lassen, da auf breitere Fräswege und größere Abstände der SMT-Komponenten zu den Schnittkanten verzichtet wird. Damit können bis zu 30 Prozent Materialersparnis erreicht werden.BILDNACHWEIS LPKF
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    Präzises Schneiden – auch flexibler Materialien – ist für Lasersysteme von LPKF kein Problem – und das bei größtmöglicher Designfreiheit.BILDNACHWEIS LPKF
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    Starr-flexible Leiterplatten werden bei ATLAS EMS in die LPKF MicroLine 2000 eingelegt. Da die Baugruppen kompakt und randnah platziert sind und das starr-flexible Material anspruchsvoll in der Bearbeitung ist, erweist sich Trennen mittels Lasertechnologie hier als ideal.BILDNACHWEIS ATLAS EMS
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    ATLAS EMS setzt ein MicroLine Lasersystem von LPKF zum Nutzentrennen ein. Die schnelle Einrichtung der jeweiligen Jobs ist hier ein wichtiger Faktor für eine effiziente Produktion.BILDNACHWEIS ATLAS EMS
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    Ein neuartiges Laser-CNC-Bearbeitungszentrum zum 3D-Lasermikroschweißen hat Schüssler Technik entwickelt. Durch hochgenaue Achsbewegungen lassen sich filigrane Bauteile in unterschiedlichsten Positionen (5+2-Achs) mühelos fügen.BILDNACHWEIS Schüssler Technik GmbH
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    LogoBILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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  • LASYS 2020: PM Nr. 3

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    Was die ‚lastgerechte und flexible Bauteilgestaltung‘ von E-Fahrzeugen anbelangt, verfolgt beispielweise das Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) den Ansatz, crash-relevante Karosseriestrukturen individuell zu verbessern. Hier die lokale Laserbehandlung einer hochbeanspruchten Zone eines crashrelevanten Karosseriestrukturbauteils im TestFraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
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    Diffraktive optische Elemente von Laser Components formen den optimalen Strahl für industrielle Anwendungen etwa beim Bearbeiten von Komponenten der E-MobilitätLaser Components GmbH
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    Mit Lasersystemen von Laserline, die ‚blaues Laserlicht, nutzen, kann der Energieeintrag in Kupfer so gut gesteuert werden, dass erstmals Wärmeleitungsschweißprozesse ohne Verdampfen und Dampfkapillare möglich sind. Dies ergibt spritzerfreie Prozesse.Laserline GmbH
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    Die schlüsselfertigen automatisierten Produktionsanlagen von SITEC Industrietechnologie richten den Fokus auf Wirtschaftlich- und Nachhaltigkeit bei der Produktion von Komponenten für die E-Mobilität. Neuartige automatisierte Laseranlagen schweißen in hoher Qualität die Kupfer-Hairpins am Stator des Elektromotors.SITEC Industrietechnologie GmbH
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    SITEC Industrietechnologie antwortet auf die Herausforderungen der Mobilität mit neuartigen automatisierten Laseranlagen etwa für Schweißprozesse an Baugruppen der Leistungselektronik, an Statoren oder wie hier an Bipolarplatten für Brennstoffzellen.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Laseranlagen von Trumpf entlacken Hairpins mit dem Laser, die anschließend ineinander verdreht und mittels Laserstrahl verschweißt werden. Mit dem Hairpin-Verfahren ist laut Trumpf eine automatisierte Produktion großer Stückzahlen von Statoren des Elektromotors wirtschaftlich möglich.Trumpf GmbH & Co. KG
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    Der Laser-Folien-Markierer LFM 100 von Bluhm Systeme ist eine innovative Mischung aus Etikettendrucker und Lasersystem, der Typenschilder laserbeschriftet. Die seewasserfeste und selbstklebende Lackfolie ist günstiger und flexibler als die üblichen Edelstahl-Typenschilder.Bluhm Systeme GmbH
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    Im Trend liegt „Natural Branding“. Bluhm Systeme hat hier das Lasersystem eSolarMark plus entwickelt, das gleich vier Früchte innerhalb eines Taktes beschriftet. Auch Backwerk lässt sich ohne Etikett mit dem Laser beschriften.Bluhm Systeme GmbH
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    Mit seiner PowerLine-Serie deckt Coherent ein breites Anwendungsspektrum beim Lasermarkieren ab: Erst kürzlich ist dem Unternehmen zusammen mit einem Partner gelungen, einen neuen Kunststoff für Ohrmarken von Tieren hinsichtlich Gesundheitsverträglichkeit und Lasermarkierbarkeit zu optimieren.Coherent
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    Um Schnelligkeit geht es beim PowerLine E Twin von Coherent. Zwei Lasermarkiereinheiten beschriften gemeinsam ein Werkstück. Das Besondere hierbei ist, dass das System über Hard- und Software-Schnittstellen wie ein einzelner Lasermarkierer gesteuert wird.Coherent
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    Zur effizienten Teilekennzeichnung hat Gravotech eine kompakte und sichere Lösung entwickelt, den Laserschutztrichter Mini-Inline. Er vereinfacht den Einsatz von Lasertechnik in Fertigungslinien und macht ihn deutlich effizienter als zuvor. Bildnachweis:Gravotech GmbH
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    Das neuartige Lasersystem WeLase von Gravotech kann durch den Einsatz unterschiedlicher Laserquellen (CO2, Faser, YAG oder Green) an fast jede Kundenanforderung angepasst werden: Lasermarkierung der nächsten Generation!Gravotech GmbH
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    Produktpersonalisierung kurbelt den Markt für Lasermarkiersysteme an. Viele Massenprodukte wie a)Brille, b)Uhrenarmband oder andere Geschenkeartikel lassen sich auf einfache Weise individualisieren. Das Lasermarkiersystem WeLase ist laut Hersteller Gravotech eine ideale Lösung für In-Store-Personalisierung.Gravotech GmbH
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    Die Experten von LightPulse Laser Precision empfehlen Schwarzmarkieren mittels Ultrakurzpuls-Laser für medizintechnische Instrumente und Implantate, Schwarzmarkieren eignet sich hier sehr gut, weil es sehr kontrastreich, korrosionsbeständig und dauerhaft lesbar ist.LightPulse Laser Precision
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