Tanz der Photonen

© Foto | TRUMPF, Oliver Graf

Die nächste Generation Scanneroptiken entlässt den Fokusfleck aus der Arbeitsebene. Wie Anwender den freien Tanz durch den Raum nutzen.

Bei 0,2 Millimetern ist Schluss – größer sollte ein Fügespalt nicht sein, wenn der Laser remote schweißen soll. Zumindest war das bisher so. Volkswagen hat nun eine Lösung entwickelt, mit der diese Faustformel der Vergangenheit angehört. Beim Schweißen auf Abstand positionieren zwei Umlenkspiegel im Inneren einer Scanneroptik den Laserstrahl schnell und exakt auf dem Blech.

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Wissen, wo der Fokus ist:Die Calibration Line kalibriert den Laserstrahl über einen Sensor. Danach kann die Steuerung jederzeit die Fokuslage im Raum berechnen.

X-Y-Ausrichtung:Die PFO rastert die Fläche um die winzige Bohrung im Sensorzentrum. Strahlt das Licht genau in das Loch, nimmt die Fotodiode die maximale Leistung wahr.

Z-Ausrichtung: Die PFO 3D fokussiert die Bohrung und ver lagert den Fokusfleck in Z-­Richtung. Aus der Veränderung in der gemessenen Laserleistung ergibt sich die Z­-Koordinate.

Qualitätssicherung morgen

Wissen, was passiert: Eine CNN-­basierte Kamera folgt dem Fokusfleck aus der Ferne und wertet pro Sekunde bis zu 10 000 Bilder aus.

Das Spiegelreflex-Prinzip: Über die Scannerspiegel „schaut“ die Kamera immer dorthin, wohin der Laser zielt.

Das Spiegelreflex-Prinzip: Über die Scannerspiegel „schaut“ die Kamera immer dorthin, wohin der Laser zielt. Die Auswertung: Das System kontrolliert das Durchschweißloch und regelt die Laserleistung nach, wenn es vom Soll abweicht. Der Stand der Technik: So einfach das Prinzip klingt, so anspruchsvoll ist es. Das Fraunhofer IPM in Freiburg, das IFSW der Uni Stuttgart, das IEE der TU Dresden arbeiten an der Umsetzung

Das hat sich der Automobilhersteller zunutze gemacht – er lässt den Laserstrahl tanzen. Laserrührschweißen heißt das neue Verfahren, das Volkswagen bereits in der Serienproduktion einsetzt. Dabei bewegen die Spiegel den Laserstrahl nicht nur geradeaus entlang des Fügespalts, sie lassen ihn kreisen.

Thorge Hammer, bei Volkswagen für Technologieplanung und -entwicklung, Karosserieplanung und Werkzeugbau verantwortlich, erklärt: „Durch das sogenannte ‚Wobbeln‘ rührt der Laser die Schmelze um und vergrößert so das Schmelzvolumen. Damit lassen sich nun auch größere Fügespalte überbrücken.“

So kann der Laser selbst Bauteile, die für das MIG- und MAG-Schweißen konstruiert wurden, ohne Anpassungen bearbeiten. „Wir schweißen Halteblöcke mit Fügespalten von bis zu 0,5 Millimetern“, erläutert Hammer.

Robscans Erben

Keine Frage, das Scannerschweißen mit robotergeführten Optiken hat sich fest im Karosseriebau etabliert. Hier nur zur Erinnerung das erste serientaugliche Remotesystem – Robscan bei Daimler – in Aktion. Kein Wunder, dass es die Fantasie der Fertigungstechniker immer weiter an regt.

Bisher gab es jedoch noch eine Grenze – die Z-Achse: Die Scannerspiegel können den Fokusfleck nur entlang der X- und Y-Achse über das Werkstück tanzen und springen lassen. Entlang der Z-Achse mussten entweder Bewegungen mit der ganzen Optik oder mit der Linse im Inneren der Scanneroptik ausgeführt werden. Neue 3-D-Scanneroptiken geben dem Fokusfleck nun neue Bewegungsfreiheit.

Mit einem hochdynamischen Antrieb ausgestattet, positioniert ihn die bewegliche Linse schnell und exakt auf der Z-Achse, ohne dass die Optik sich bewegt. Der Laser tanzt nun also auch in der dritten Dimension: Stufen sind kein Problem mehr und auch kleine Schweißpunkte an bisher unzugänglichen Stellen erreicht der Laserstrahl jetzt schnell.

Rühren, Schweißen,  Springen

Um zum Beispiel Volkswagen zurück zu kehren: Das Unternehmen nutzt die Technologie auch beim Laserrührschweißen und fügt damit Untergruppen für den Golf VII, die später in eine Plattform eingesetzt werden. Auf den vier Sitzträgern finden die vorderen Sitze Halt, die beiden oben erwähnten Halteblöcke dienen Motor und Antriebsstrang als Befestigung.

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Thorge Hammer, Volkswagen

Die Sitzträger bestehen aus 0,7 Millimeter dickem, tiefgezogenem Stahlblech von mittlerer Festigkeit. Für die Halteblöcke schweißt Volkswagen drei Millimeter dickes, fließgeformtes Blech in eine ebenfalls drei Millimeter dicke Schale. „Durch die Bewegungsmöglichkeiten der dritten Dimension können wir Bauteile mit Hinterschnitt laserschweißen“, sagt Thorge Hammer.

An sechs Remoteanlagen, ausgestattet mit 4000 Watt starken Scheibenlasern, kommt bei Volkswagen für die Bearbeitung der Untergruppen am Golf VII das robotergeführte Laserschweißen, das sogenannte Welding-on-the-Fly, zum Einsatz. Nur so lässt sich die geforderte Taktzeit mit einem Teileausstoß von 4500 Stück pro Tag erreichen.

„Für insgesamt 19 Schweißnähte pro Bauteil hat der Laser 7,5 Sekunden zur Verfügung“, sagt Hammer. „Bei der Laserleistung von 4000 Watt durfte die Roboterbewegung zwischen zwei Schweißbereichen gerade einmal 1,2 Sekunden betragen.“ Eine Steuerungsentwicklung auf Roboterbasis berechnet die Position des Scanners jede Millisekunde neu und korrigiert sie räumlich so, dass die gewünschten Schweißfiguren entstehen.

Stufenlos glücklich

Mit dieser neu gewonnenen Bewegungsfreiheit des Lichts findet der Laser in der Fahrgastzelle ebenfalls Anwendung. Beim Zulieferer Faurecia ist er damit im Produktbereich Seating angekommen. In der Fertigung des Konzerns ist die Remotebearbeitung ohnehin fest verankert: beim Schweißen von Gestellen für die Rückenlehne der Vorder- und Rücksitze, die Sitzversteller und -schienen.

Geert Verhaeghe, Faurecia

Materialien mit 0,7 Millimeter Dicke, bis zu sechs Millimeter dicke Packages, die aus mehreren Schichten bestehen, kommen unter den Laserstrahl. Bis zur Materialdicke von vier Millimetern schweißt der Laser mit Remotetechnologie. Jährlich fertigt Faurecia auf diese Weise 18 Millionen Gestelle für Vorder- und Rücksitze und 115 Millionen Sitzversteller und -schienen. Geert Verhaeghe, Senior Expert Welding, erläutert: „Der Trend geht ganz klar zum Leichtbau – zu dünnen, aber stabilen Materialien – und damit zum hochfesten Stahl.“

Erst der Laser ermöglicht das Schweißen des Materials. Mehr als zwei Dutzend sind bei Faurecia weltweit im Einsatz, ausgestattet mit robotergeführten und festen Scanneroptiken. Die dritte Dimension verschaffte mehr Freiraum.

„Die PFO 3D von TRUMPF vergrößert das Bearbeitungsfeld, ohne dass wir sie über das Blechteil bewegen müssen“, sagt Uwe Viehmann, Manager Joining Technology. „Bei den Rücklehnen haben wir unterschiedliche Höhenstufen, die lassen sich mit der PFO 3D besser bearbeiten, weil wir den Laserstrahl nun mit der gleichen Dynamik wie auf den X- und Y-Achsen auch auf der Z-Achse positionieren können.“

Den nächsten Technologieschritt hat Verhaeghe bereits im Blick. Er will die PFO 3D zum Welding-on-the-Fly verwenden. „Wir haben teilweise sehr große Bauteile, durch die Kombination von Roboter und 3-D-Optik steht uns ein noch größeres Bearbeitungsfeld zur Verfügung“, sagt er.

Uwe Viehmann, Faurecia

Vom CO2- steigt der Konzern nach und nach auf den Festkörperlaser um, denn das bringt Vorteile: „Die Scheibenlaser arbeiten deutlich effizienter. Dadurch konnten wir unsere Kosten erheblich senken“, sagt Verhaeghe. Ein optimiertes Design der Stöße und Verbindungen brachte Vorteile für den Laser und führte zu einem positiven Nebeneffekt.

Lasergeschweißte Verbindungen sind bis zu 30-mal kleiner und dünner als ihre MAG-geschweißten Pendants. Das spart Material und damit Gewicht: Statt zehn Millimeter beim Widerstandspunktschweißen benötigen die lasergeschweißten Punkte nur noch 0,6 Millimeter Platz.

Kontakt mit der Zukunft

Tief im Inneren des Autos der Zukunft hinterlässt der Laser mittlerweile ebenfalls seine Spuren. Die räumliche Flexibilität der dritten Dimension macht das Schweißen von Gehäusen für Hochvoltbatterien möglich. Jedes Batteriemodul besteht aus einzelnen Zellen mit rechteckigen Aluminiumgehäusen.

Wenn sie unter den Laser kommen, steckt die Batterie bereits im Inneren des Gehäuses und ist geladen. Der Wärmeeintrag darf darum nur gering sein. Weitere Voraussetzung für den Lasereinsatz ist die exakte Steuerung der Einschweißtiefe – Durchschweißungen würden die Batterie beschädigen.

Im geladenen Zustand hätte das fatale Folgen. Spritzer dürfen nicht entstehen und die Naht muss absolut dicht sein. Schweißungen mit TruDisk Scheibenlasern mit einer Leistung von einem bis fünf Kilowatt an Batteriegehäusen mit 0,8 bis 1,5 Millimeter Wandstärke zeigen, dass der Laser hält, was er verspricht: Die Schweißnähte sind dicht und die Batterie bleibt unbeschädigt.

Neue Anwendungen hat der Laser auch jenseits des Gehäuseschweißens im Blick: das Schweißen dünner Batteriekontakte und die Verbindung der einzelnen Batteriezellen zu kompletten Modulen. Derzeit werden sie noch geschraubt, da die Batteriezellen häufig gewechselt werden müssen.

Sind diese Kinderkrankheiten auskuriert, könnte bald der Laser für den festen Zusammenhalt der Module sorgen. Noch stehen die Applikationen am Anfang und die Hersteller beginnen erst, sich Gedanken über eine passende Automatisierung zu machen. Unterstützt von modernen Scanneroptiken ist der Laser aus der Fertigung von Karosserieteilen und Sitzelementen heute nicht mehr wegzudenken.

Die Entwicklung der Elektromobilität begleitet er bereits – bei der wirtschaftlichen Produktion der Fahrzeuge wird er also auch weiterhin seine Lichtfinger im Spiel haben.

Ansprechpartner:
TRUMPF Laser GmbH + Co. KG
Dr. Rüdiger Brockmann
ruediger.brockmann@de.trumpf.com

Dieser Artikel ist erstmals im Winter 2011 erschienen.

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