Blechveredelung per Laser Der Laser soll zum effektiven Blechoptimierer werden

Entgraten, Verrunden und Randverstärken sind Blechoptimierungsprozesse, die Aachener Forscher am ILT jetzt mit dem Laser durchführen wollen. Das hat seine Vorteile, heißt es...

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Ein traditionelles Anwendungsgebiet der Laseranwendung ist seit vielen Jahren das Schneiden von Blechen. Einer neuen Aufgabe in dieser Branche gehen nun zwei Aachener Forschungsinstitute an: Im just gestarteten AiF-Projekt Laseredge untersuchen das Institut für Eisenhüttenkunde IEHK, RWTH Aachen University, und das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, wie sich die Kanten von Metallblechn etwa entgraten lassen, um so übliche prozessbedingte Risse zu vermeiden.

Den Mittelstand hat die AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke" e.V. dabei im Visier: Der Verein fördert vor allem die Gemeinschaftsforschung, deren Ergebnisse KMU dabei helfen sollen, wirtschaftlicher und effizienter zu werden.

Genau an diese Zielgruppe richtet sich auch Laseredge. In zwei Jahren soll dabei ein laserbasiertes Verfahren zum Bearbeiten der Kanten von Bauteilen unter anderem aus kaltumformbarem, hochfestem Feinblech entwickelt werden. Dazu wollen das ILT und das IEHK auch Prozessfenster und -grenzen der Laserkantenveredelung bestimmen. Die dafür einzustellenden mechanischen Eigenschaften werden im Zuge dessen in Abhängigkeit von den Prozessparametern bestimmt.

Systematische Untersuchungen sind Mangelware

Grate und andere Kantendefekte sind bei Verarbeitern von Blechen nicht beliebt, denn sie verschlechtern die mechanischen Eigenschaften. Das wirkt sich wiederum negativ auf die Kaltumformbarkeit aus und führt zu Ermüdungsanrissen im Werkstoff, die zum Bauteilversagen führen können. Scharfe Kanten erhöhen die Verletzungsgefahr für Menschen und gefährden die Funktionsfähigkeit von Bauteilen. Obwohl viel für den Einsatz des Lasers beim Entgraten spricht, gab es bisher keine systematische Untersuchung, wie sich Prozessparameter auf die Eigenschaften des Bauteils auswirken.

An dem Projekt beteiligt sich nicht von ungefähr Dr. Edgar Willenborg, der am Fraunhofer-ILT ein Forschungsteam mit sieben Wissenschaftler leitet, die sich intensiv mit dem laserbasierten Entgraten und Polieren beschäftigen. Der Innovationsdruck ist nach seinem Wissen hoch: Zwar werden das Stanzen- und Laser-Schneiden ständig verbessert, trotzdem sind sie nicht perfekt. So meinte ein typischer Anwender der Branche: Es bleibe beim Schneiden von sonstigem Trennen Blechteilen immer etwas zurück, das entfernt werden müsse. Diese Aufgaben übernehmen dann Entgrat- und Polierprozesse.

Was der Laser dabei macht, ist eine Frage seiner Intensität

„Das Grundprinzip ist einfach", erklärt Willenborg. Und weiter: „Der Laserstrahl ist etwas breiter als die zu bearbeitende Kante. Das Blech schmilzt über die gesamte Blechdicke und die Oberflächenspannung sorgt dafür, dass die Schmelze den Grat aufnimmt." Das Geheimnis ist einmal mehr die richtigen Einstellung der Prozessparameter: Bei geringer Intensität werden die Ecken leicht gerundet, bei größerer Intensität lassen sich ein Halbkreis oder sogar ein randverstärkendes Pilzprofil erzeugen. Bei der Entwicklung der Prozessparameter ist dabei insbesondere auf den Trade-off zwischen Kantenverrundung und lokaler Gefügestruktur zu achten. Die bisherigen Versuche zeigten bereits, dass sich sowohl 0,2 mm dünne, als auch 4 mm dicke Bleche bearbeiten lassen.

Der Laser sollte breiter sein als die Blechkante

Als Strahlquellen kommen sowohl Dioden- als auch Faser- und Scheibenlaser infrage. Doch in den meisten Fällen reichen kontinuierliche fasergekoppelte Diodenlaser aus, sagt Willenborg. „Die Laserleistung hängt stark von der Blechdicke und der gewünschten Geschwindigkeit ab", erklärt der Wissenschaftler. Je nach Aufgabe, liegt die Laserleistung bei 100 bis 5000 W. Der Strahl sollte stets etwas breiter als die Kantendicke sein, denn dann reiche es, den Laser nur ein Mal über die Kante zu bewegen. Der Laser arbeitet dazu mit einer hoher Prozessgeschwindigkeit von 1 bis 10 m/min. Bewährt hat sich, genau so wie beim Laserschweißen, eine Schutzgasdüse, um Oxidationseffekte zu vermeiden. „Im Unterschied zum klassischen Entgraten oder Verrunden arbeitet der Laser nahezu ohne Abtrag", erklärt Willenborg. Das Blech wächst sogar um einige Mikrometer nach oben, betont er. Außerdem spreche für das Verfahren, dass es im Vergleich zum Gleitschleifen oder Bürsten sehr sauber glätte. Ein nachträgliches Waschen sei daher häufig überflüssig.

Auch das laserbasierte Polieren ist gefragt...

Während sich der Laser beim Entgraten von scharfen Kanten bereits bewährt hat, interessieren sich Anwender zunehmend für das Verbessern von Oberflächeneigenschaften mithilfe des laserbasierten Polierens. So hat ein deutscher Automobilzulieferer den Prozess bereits in der Großserie genutzt, um Mikrodefekte an Getriebebauteilen zu beseitigen. So kann er die Dauerfestigkeit um bis zu 200 % steigern. Besonders dieses Thema wollen die beiden Aachener Institute in dem neu gestarteten Projekt Laseredge angehen. Willenborg merkt an: „Wir wollen dazu besonders an zyklisch beanspruchten Bauteilen untersuchen, wie sich ihre Dauerfestigkeit mit der Laserpolitur erhöhen lässt." Außerdem werde man analysieren, ob sich die Kantenrissempfindlichkeit beim Umformen hochfester Stähle reduzieren lässt. Sehr interessant ist für den Projektpartner IEHK auch die Laserkantenveredelung von Karosserieblechen: zum Beispiel aus „Advanced High Strength Steels", die sich als höchstfeste Werkstoffe im Leichtbau als Alternative zu Aluminiumlegierungen schon längst einen guten Ruf erworben haben.

Nicht verpassen!!!

Einen Überblick über das Laserpolieren gibt die „4th Conference on Laser Polishing LaP", die dieses Jahr als Online-Konferenz jeweils nachmittags am 16.9. und 17.9.2020 stattfindet. Hier gibt es die nötigen Informationen.

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