Materialeffizienz Neue Laserverfahren für umformbare Metall-Hybridbauteile im Fokus

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Teure Werkstoffe nur dort einsetzen, wo sie nötig sind, ist die Vision des Sonderforschungsbereichs SFB 1153 „Tailored Forming“. Zwei laserbasierte Verfahren sollen dabei helfen, sagt das LZH.

Das Laser Zentrum Hannover e. V. forscht an zwei Laserverfahren zur Optimierung von umformbaren Hybridbauteilen. So will man es erreichen, dass bei Hochleistungs-Bauteilen nur an den Stellen teure Werkstoffe verwendet werden, wo die Belastungen das erfordern. Denn wenn das erreicht wird, könnten auch bei Hybridhalbzeugen in der Produktion Material und Kosten gespart werden. Der Sonderforschungsbereich SFB 1153 „Tailored Forming“ entwickelt deshalb jetzt eine neuartige Prozesskette zur Herstellung von an die Belastungen angepassten hybriden Massivbauteilen, wobei die Halbzeuge erst gefügt und dann umgeformt werden, wie es weiter heißt. Folgendes haben die Forscher im Sinn:

Ultraschall und Laser stellen Halbzeuge rissfrei her

Rissfreie umformbare Halbzeuge konnte bereits die Gruppe Fügen und Trennen von Metallen mit einem ultraschallunterstützten Laserschweißprozess herstellen. Die Wissenschaftler haben dazu Wellen aus verschiedenen Metallen wie etwa der Paarung Stahl-Stahl oder Stahl-Nickel verschweißt und entsprechende Prozesse entwickelt. Im Fokus stand dabei eben die Frage, wie sich dabei Risse vermeiden lassen und welche Parameter im Schweißprozess welchen Einfluss auf Qualitätsmerkmale wie Einschweißtiefe oder Nahtüberhöhung haben.

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In der 3. Förderperiode des Sonderforschungsbereichs, die nun anstehe, möchte die Gruppe unter anderem durch Modulation der Laserleistung die Prozessstabilität beim Laserschweißen weiter erhöhen. Auch will man eine Prozessregelung entwickeln, mit der eine wiederholbare, verlässliche Qualität bei der Herstellung der Hybridteile garantiert ist. Schließlich verfolgen die Forscher auch die Idee, die mechanischen Spannungen im Bauteil durch Ultraschall-Nachbehandlung zu verringern.

Laserauftragschweißen verstärkt Bauteile lokal

Die Gruppe Maschinen und Steuerungen forscht weiter an neuartigen Bauteilen mit lokalen, an die Belastung derselben angepassten Eigenschaftsprofilen. Die Wissenschaftler aus Hannover haben dazu mittels laserbasiertem Heißdraht-Auftragschweißen einen, wie es heißt, zwar teuren, aber dafür hochfesten Werkstoff gezielt auf im Betrieb stark belastete Bauteilbereiche appliziert. Die Zahnflanken von Zahnrädern sind dafür etwa mögliche Areale, die man so verstärken kann. So konnten qualitativ hochwertige und harte Beschichtungen aufgetragen und die Eigenschaften der Beschichtung durch die Werkstoffauswahl gezielt beeinflusst werden.

Im nächsten Schritt möchte die Gruppe eine Prozessüberwachung für die Qualitätssicherung beim Auftragschweißen entwickeln. Um das zu erreichen, soll die im Schweißprozess entstehende Sekundärstrahlung des Lasers mit einer speziellen Sensorik gemessen und mit Methoden des maschinellen Lernens analysiert werden. Daraus will man eine Vorhersage der Beschichtungseigenschaften ableiten. Das Ziel ist es, eine zerstörungsfreie Qualitätskontrolle der Beschichtungen direkt während des Prozesses zu schaffen.

Mehr über den Sonderforschungsbereich:

Die Arbeiten des LZH sind, wie gesagt, Teil des Sonderforschungsbereichs SFB 1153 „Prozesskette zur Herstellung hybrider Hochleistungsbauteile durch Tailored Forming“, in dem Expert:innen aus neun Instituten der Fakultät für Maschinenbau der Leibniz Universität Hannover, aus dem LZH und dem Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) daran arbeiten, neue Prozessketten zur Herstellung hybrider Bauteile zu entwickeln.

Das LZH bearbeitet innerhalb des SFB das Teilprojekt A03 „Ultraschallunterstütztes Laserstrahlschweißen zur Erzeugung umformbarer Mischverbindungen“, gemeinsam mit dem Institut für Dynamik und Schwingungen (IDS), und das Teilprojekt A04 „Lokale Anpassung von Werkstoffeigenschaften an Umformrohlingen durch Auftragschweißen zur Erzeugung gradierter hybrider Bauteile“, gemeinsam mit dem Institut für Werkstoffkunde (IW).

Der SFB hat im Juli 2015 die Arbeit aufgenommen. Die 3. Förderperiode läuft über 4 Jahre und beginnt im Juli 2023. Er wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unter dem Förderkennzeichen 252662854 gefördert.

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