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.