Koaxiale Strahlführungs- und -formungssysteme für die hybride Lasermaterialbearbeitung

Die Lasermaterialbearbeitung hat in den letzten 20 Jahren eine dynamische Entwicklung genommen. Aktuell (Stand 2009) liegt der Weltmarkt für Lasersysteme bei ca. 6,4 Mrd. € jährlich([1]-[3]). Bei zahlreichen Lasermaterialbearbeitungsverfahren muss ein Zusatzwerkstoff in die Wechselwirkungszone gebracht werden. Der Zusatzwerkstoff kann als Gas oder in fester oder flüssiger Form zugeführt werden. In fester Form liegt der Zusatzwerkstoff meist als Draht oder Pulver vor. Zu diesen Laserverfahren gehören u. a. das Hart- und Weichlöten, das Schweißen metallischer Werkstoffe, das Auftragschweißen, das Beschichten, das Generieren und das Legieren ([6]-[8]).

Bislang werden bei den oben genannten Verfahren in der industriellen Praxis Bearbeitungsköpfe eingesetzt, bei denen Zusatzwerkstoff und Laser nicht koaxial zueinander geführt werden. In der Regel werden entweder der Laserstrahl oder der Zusatzwerkstoff seitlich in die Bearbeitungszone gebracht. Aus einer solchen Anordnung ergibt sich eine Reihe von Nachteilen. Bei komplexen Bauteilen ist die Zugänglichkeit aufgrund der vergleichsweise großen Bauweise eingeschränkt. Zudem wird hierdurch die Anordnung asymmetrisch, so dass bei Änderung der Vorschubrichtung eine Drehung des Bearbeitungskopfes notwendig wird. Dies erfordert insbesondere bei Werkstücken mit anspruchsvollen 3D-Geometrien eine aufwändige Programmierung der Robotersteuerung und führt zu Produktivitätseinbußen durch die häufige Umorientierung und durch reduzierte Vorschubgeschwindigkeit an den Umorientierungspunkten. Durch die nicht konstanten Bearbeitungsgeschwindigkeiten, die durch häufige Umorientierungen bedingt sind, kommt es oftmals zu Qualitätseinbußen. Bei einigen Verfahren wäre es auch von großem Vorteil, ein Bearbeitungswerkzeug (z.B. Lichtbogenschweißelektrode) koaxial zum Laserstrahl in die Bearbeitungszone bringen zu können.

Beispielhaft für die oben genannten Verfahren mit Zusatzwerkstoffen ist das Laserstrahlhartlöten. Das Laserstrahlhartlöten hat sich auf Grund seiner verfahrensspezifischen Vorteile [9] als Fügeverfahren in der Automobil- und Elektronikindustrie etabliert. Im Karosseriebau werden z.B. Verbindungen im Bereich des Daches und Nähte im Bereich der Kennzeichenmulde des Kofferraumdeckels zunehmend mittels Laserstrahlhartlöten realisiert ([10]-[13]). Das Marktpotenzial für das Laserstrahlhartlöten würde durch die Reduzierung der Komplexität bei der Bahngenerierung, der Möglichkeit gegebenenfalls preiswerte Roboter mit geringerer Maschinendynamik einzusetzen (Kostenreduzierung des Gesamtsystems), der Reduzierung von Bindefehlern und Schwankungen in der Nahtbreite, der Möglichkeit, Geometrien (z.B. kleine Radien) zu verbinden, die bisher nicht möglich sind, sowie durch eine Produktivitätssteigerung erheblich vergrößert.

Neben den Verfahren mit Zusatzwerkstoffen gewinnen hybride Bearbeitungsverfahren zunehmend an Bedeutung. Einer der Gründe dafür ist, dass hybride Produktionssysteme die Möglichkeit bieten, die Grenzen konventioneller Produktionssysteme zu überwinden und Innovationssprünge zu generieren. Mit hybriden Produktionssystemen werden beispielsweise neue Produkte ermöglicht, die mit konventionellen Prozessen nicht herstellbar sind. Dadurch können neue Märkte bzw. Marktsegmente geschaffen werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die Systemintegration von Einzelprozessen zu hybriden Produktionssystemen Prozessketten verkürzt werden können. Kürzere Prozessketten sind häufig einfacher beherrschbar und somit stabiler, und führen zur Steigerung der Leistungsfähigkeit und Produktivität [14]. Bei hybriden Bearbeitungsverfahren, bei denen konventionelle Bearbeitungsverfahren mit dem Einsatz von Laserstrahlung kombiniert werden, ist oftmals ein Werkzeug zentrisch angeordnet und der Laserstrahl wird seitlich zugeführt. Dadurch ist das Verfahren dann nicht mehr richtungsunabhängig. Ferner entsteht bei einer solchen seitlichen Anordnung auch eine Störkontur, die zur Einschränkungen der Zugänglichkeit am Bauteil führen kann. Daher wäre es auch hier von großem Vorteil, wenn Laserstrahl und Bearbeitungswerkzeug koaxial zueinander angeordnet werden könnten.

Ein Beispiel für solch ein hybrides Bearbeitungsverfahren ist die laserunterstützte inkrementelle Blechumformung. Die inkrementelle Blechumformung (IBU) ist ein Prozess zur Herstellung komplexer Bauteile durch die CNC gesteuerte Bewegung eines einfachen Umformstifts. Bei diesem Prozess kann, in Abhängigkeit von der herzustellenden Bauteilgeometrie, die Umformung entweder mit einfachen, generischen Gegenwerkzeugen oder gänzlich ohne Unterstützung erfolgen. Dabei entfällt, im Vergleich zu klassischen Blechumformprozessen mit hoher Werkzeugbindung wie z. B. dem Tiefziehen, die kosten- und zeitintensive Fertigung komplexer Umformwerkzeuge. Hierdurch können die Vorlaufzeit der Produktentwicklung bedeutend reduziert und eine flexible Prototypenfertigung ermöglicht werden.

Im Rahmen des Teilprojektes C-2.1 des Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ der RWTH Aachen wird die Hybridisierung des IBU-Verfahrens durch eine Kombination mit anderen Verfahren betrieben. Durch die Hybridisierung wird erwartet, dass die bisherigen Prozessgrenzen der inkrementellen Blechumformung (Blechausdünnung, Genauigkeit und Umformgeschwindigkeit) überwunden werden. Eine gesteigerte Produktivität sowie ein breiteres Anwendungs- und Bauteilspektrum sollen durch die Kombination der inkrementellen Blechumformung mit Prozessen wie z.B. dem Tiefziehen oder einer lokalen Vorwärmung des Bleches durch Laserstrahlung erreicht werden. Insbesondere durch die laserunterstützte inkrementellen Blechumformung sollen die Umformbarkeit des Werkstoffes und das Material- und Bauteilspektrum erhöht und gleichzeitig Rückfederungseffekte reduziert werden. Beispielhaft soll die Umformung von bei Raumtemperatur nicht umformbaren Werkstoffen wie Titan und Magnesium ermöglicht werden ([15]-[17]). Hierfür wird ein innovatives Strahlführungs- und Strahlformungssystem benötigt, das eine Anordnung des Werkzeugs (Umformstift) zentrisch, koaxial zum Laserstrahl ermöglicht.

Ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik (Kapitel2) ist die Zielsetzung dieser Arbeit die Entwicklung innovativer Optikkonzepte, die eine abschattungsfreie, zentrische Einbringung von Zusatzwerkstoffen oder Bearbeitungswerkzeugen in die Prozesszone koaxial zum Laserstrahl ermöglichen. Basierend auf den zu entwickelnden optischen Konzepten (Kapitel 3) werden als Ausführungsbeispiele applikationsangepasste Optiken und Bearbeitungsköpfe für das Laserstrahlhartlöten und die inkrementelle Blechumformung entwickelt und erprobt (Kapitel 4).