Wasserdicht dank flinker Laser • WASSER & ABWASSER

Die Fraunhofer-IWS-Technologie unter der Bezeichnung »remoweld®FLEX« eignet sich für qualitativ besonders anspruchsvolle Prozesse. Bild: Fraunhofer IWS DresdenDie Fraunhofer-IWS-Technologie unter der Bezeichnung »remoweld®FLEX« eignet sich für qualitativ besonders anspruchsvolle Prozesse. (Bild: Fraunhofer IWS Dresden)
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 emp­fiehlt sich über­all dort, wo schwer schweiß­ba­re Mate­ria­li­en im Ein­satz sind und wo Bau­tei­le bis­her nur mit ganz 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 klei­ne 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: In dem 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.