Stahl-Innovationspreis, Laser inklusive!
Auszeichnung für Laserschweißregelung in Echtzeit: bessere Schweißverbindungen bei geringerem Energieeinsatz.
Das Fraunhofer-IPM ist zusammen mit dem IFSW der Uni Stuttgart und dem IEE der TU Dresden mit einem dritten Platz beim Stahl-Innovationspreis 2012 ausgezeichnet worden. Erstmals ist es mit der neu entwickelten Echtzeit-Laserschweißregelung möglich, Schwankungen im Fügeprozess durch Anpassung der Laserleistung innerhalb weniger Millisekunden auszugleichen.
Abb.: Die Gewinner des Stahl-Innovationspreises 2012 mit Hans Jürgen Kerkhoff, dem Präsidenten der Wirtschaftsvereinigung Stahl und Vorsitzenden des Stahlinstituts VDEh, der Moderatorin Birgit Klaus, dem Schirmherrn des Wettbewerbs Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Reitzle, Linde AG, und Dr. Jost A. Massenberg, dem Vorsitzenden des Stahl-Informations-Zentrums (1. Reihe v. l. n. r.). Ganz links: Felix Abt, IFSW, Leonardo Nicolosi, IEE, und Andreas Blug, IPM. (Bild: SIZ)
Bei dem in der Karosseriefertigung üblichen Tiefschweißen erschweren die komplexen und hochdynamischen physikalischen Vorgänge in der Schmelzzone bislang eine präzise Regelung des Fügeprozesses. Wichtiges Qualitätsmerkmal ist das bei vollständigem Aufschmelzen des Materials entstehende Durchschweißloch. Es stellt sicher, dass der gesamte Querschnitt der Bleche genutzt wird.
Übliche Prozessüberwachungssysteme auf Basis von Photodioden erkennen lediglich die Intensität der Strahlung, nicht aber ihre örtliche Verteilung. Bildgebende Sensoren bzw. Kameras erlauben die Erfassung von örtlicher Strahlungsverteilung und Durchschweißloch. Eine Online-Regelung des Prozesses ist aber aufgrund der geringen Bildraten von 1 bis 2 kHz nicht möglich.
Abb.: Alle Gewinner erhielten als Sachpreis eine von der Heidelberger Künstlerin Stefanie Welk geschaffene Stahl-Skulptur: den „Visionär“. (Bild: SIZ)
Die Kooperation der drei Institute hat nun eine neue Bildverarbeitungstechnologie entwickelt. Bei dieser ist in jedes der insgesamt 25.000 Pixel des Aufnahmechips der Kamera ein eigener Mikroprozessor integriert. Diese sind über zellulare neuronale Netzwerke miteinander verknüpft und verarbeiten die gewonnenen Bilddaten parallel. Mit Bildraten von 14 kHz ist eine statistische Analyse des Durchschweißlochs innerhalb der Reaktionszeit des Schweißprozesses möglich.
Durch eine speziell entwickelte Regelstrategie kann die Laserleistung bei Prozessschwankungen wie verschmutzter Laseroptik, Vorschubschwankungen oder Veränderungen der Fokuslage erstmals in Echtzeit angepasst werden. Das System ruft immer exakt so viel Laserleistung ab, um gerade den gesamten Querschnitt der Fügeteile für die maximale Festigkeit zu nutzen. Dies verbessert die Qualität der Schweißverbindung, weil es Leistungsüberschüsse und somit Schweißrauch und Spritzer vermeidet. Der Energieeinsatz ist dadurch etwa fünf Prozent niedriger.
Mit dem neuen System ist auch das „geregelte Einschweißen" bei Überlappverbindungen möglich. Hierbei wird das am Spalt zwischen Oberblech und Unterblech entstehende Durchschweißloch genutzt, um die Einschweißtiefe im Unterblech zu regeln. Die Unterseite des Unterblechs bleibt dabei unverletzt und lässt sich später ohne optische Beeinträchtigung lackieren. In diesem Fall sind bei gleicher Nahtfestigkeit sogar Energieeinsparungen bis zu dreißig Prozent möglich.
Abb.: Die neu entwickelte Laserschweißregelung gleicht Schwankungen im Schweißprozess in Echtzeit aus. (Bild: SIZ)
Beim geregelten Einschweißen in verzinkte Stahlbleche bleibt zudem die Korrosionsschutzwirkung an der Unterseite vollständig erhalten, da hier keinerlei Zink verdampft. Damit verbessert die Echtzeitregelung den Einsatz der Laserschweißtechnik auch im Außenhautbereich von Karosserien. Teammitglied Felix Abt vom IFSW geht von einer Markteinführung im nächsten Jahr aus, Partner ist hier das Unternehmen Scansonic aus Berlin.
Der Stahl-Innovationspreis wird seit 23 Jahren im Dreijahresrhythmus verliehen, um innovative Ideen und Produkte zu fördern, ins Licht der Öffentlichkeit zu bringen und ihnen bei der erfolgreichen Positionierung im Markt zu helfen. Zahlreiche Gewinner früherer Wettbewerbe haben bereits von der Auszeichnung profitiert und Erfolgsgeschichten geschrieben. In diesem Jahr haben sich 658 Projekte beworben, vierzig davon kamen in die Endausscheidung um die je drei Preise in den vier Kategorien Produkte, Stahl in Forschung und Entwicklung, Bauteile und Systeme sowie Stahl-Design. Der Wettbewerb ist mit Preisgeldern in Höhe von insgesamt 70.000 Euro dotiert.
SIZ / OD
