Fliegengewicht auf vier Rädern
Ein neuer Laserprozess soll die Automobilgeneration der Zukunft leichter machen.
Eine zentrale Herausforderung unserer Zeit ist der effiziente Umgang mit begrenzten Ressourcen. Die Reduktion des Fahrzeuggewichtes ist damit der entscheidende Faktor für den Automobilbau der Zukunft. Die Volkswagen AG arbeitet gemeinsam mit dem Laser Zentrum Hannover (LZH) und weiteren Partnern an einem neuartigen Laserprozess für das automatisierte Zuschneiden von CFK-Bauteilen, um diesen Leichtbauwerkstoff in die automobile Großserienfertigung zu bringen.
Abb.: Prozessbild eines mit Laser-Remote-Technologie geschnittenen CFK-Laminats (Bild: LZH)
Leichtbauwerkstoffe müssen sowohl hohe Festigkeiten als auch Steifigkeiten mitbringen, denn bei der Sicherheit dürfen unter dem Aspekt der Gewichtsreduktion keine Abstriche gemacht werden. Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) besitzen zwar diese Eigenschaften, gleichzeitig stellen sie aber die Fertigungstechnik vor große Herausforderungen, so dass CFK-Komponenten derzeit vorwiegend im Sportwagenbereich und in automobilen Kleinserien vorkommen.
Will man Autos auf der Basis von CFK künftig auch in großen Stückzahlen produzieren, besteht besonderer Bedarf an automatisierbaren Fertigungstechnologien, vor allem für das Zuschneiden dieses Leichtbauwerkstoffs. Existierende Verfahren wie das Fräsen oder das Wasserstrahlschneiden zeigen prozessbedingte Nachteile wie etwa den sehr hohen Werkzeugverschleiß sowie die Handhabung von Wasser und Abrasivmitteln, die sich technologisch nicht lösen lassen.
Im Verbundprojekt HolQueSt 3D entwickeln daher sieben Partner aus Industrie und Wissenschaft unter der Leitung der Volkswagen AG gemeinsam einen Prozess zur 3D-Hochleistungs-Laserbearbeitung von CFK-Leichtbaustrukturen. Der Laser erlaubt gegenüber herkömmlichen Technologien eine berührungslose, hochpräzise Bearbeitung ohne Werkzeugverschleiß bei gleichzeitig hoher Reproduzierbarkeit und Flexibilität. Bisher kann die Laserbearbeitung von CFK allerdings durch starke Wärmeentwicklung Schäden in der Bearbeitungszone verursachen. Ein lückenhaftes Prozessverständnis sowie der Mangel an ausgereiften Bearbeitungsverfahren stellen momentan wesentliche Hürden für die Verbreitung von Laserbearbeitungsprozessen für CFK dar.
Auf der Basis eines neuen, fasergeführten Hochleistungslasers der Firma Trumpf mit Pulsdauern im Nanosekundenbereich entwickelt das LZH eine speziell auf die CFK-Bearbeitung abgestimmte Prozessstrategie sowie eine optimierte Prozessüberwachung.
Die Freisetzung von zum Teil gesundheitsgefährdenden Partikeln und Dämpfen stellt für den Lasereinsatz im Bereich des Leichtbaus ein weiteres Problem dar. Hier will das LZH gemeinsam mit der Jenoptik Katasorb GmbH Abhilfe schaffen, indem über die Charakterisierung der Prozessemissionen eine geeignete Methode zur gezielten Nachbehandlung und Filterung entwickelt wird.
Auf Grundlage dieser neuen Konzepte soll eine großserienfähige CFK-Bearbeitung, angepasst an die Bedürfnisse der Automobilfertigung, zur Verfügung stehen. So könnten die ressourcensparenden Leichtbaukonzepte schon bald in der Automobilherstellung Verwendung finden.
Das Projekt HolQueSt 3D wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb der Förderinitiative „Photonische Verfahren und Werkzeuge für den ressourceneffizienten Leichtbau“ bei einem Gesamtprojektvolumen von 7 Mio. Euro mit ca. 4 Mio. Euro gefördert. Beteiligte Partner sind die Volkswagen AG, Jenoptik Katasorb GmbH, Trumpf Laser GmbH+Co. KG, Invent GmbH, KMS Automation GmbH, TU Clausthal sowie das Laser Zentrum Hannover e.V.
LZH / AH
