Kurzpulslaser machen Tailored Welded Blanks fit für das Presshärten

Kurzpulslaser machen Tailored Welded Blanks fit für das Presshärten

Unschlagb
Kombinati
KURZPULSLASER MACHEN TAILORED WELDED BLANKS FIT FÜR DAS PRESSHÄRTEN
Durch das Abtragen der AlSi-Beschichtung
mit einem Kurzpulslaser lassen sich Tailored
Welded Blanks herstellen, die sich sehr gut
presshärten lassen. Bild: Trumpf
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TITELSTORY
BLECH 04 | 2014
are
on
von Günter Kögel
Derzeit laufen Untersuchungen mit
dem Kurzpulslaser TruMicro Serie 7000
von Trumpf, um das Verfahren in der
industriellen Großserienfertigung effizient
einsetzen zu können.
Bild: Trumpf
Mit dem Siegeszug des Presshärtens im Karosseriebau waren
Tailored-Blanks auf dem Rückzug. Doch durch die Kombination von Laserabtragen mit
Kurzpulslasern und Laserschweißen macht Andritz Soutec die Tailored-Welded-Blanks fit
für das Presshärten und bringt sie zurück auf die Überholspur. Dabei lassen sich in einem
Blech extrem hohe Festigkeit und definierte Nachgiebigkeit kombinieren.
BLECH 04 | 2014
T I T E L S TO R Y
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Andritz Soutec hat schon über 120 Anlagen zum Laserschweißen von Tailored-Welded-Blanks installiert. Im Bild eine Soulas LPQ 3600 II zum
Schweißen linearer Nähte.
Bild: Andritz Soutec
I
hre Industrietauglichkeit haben Kurz- und Ultrakurzpulslaser in
verschiedensten Anwendungen längst bewiesen. Sie schneiden
bruchfeste Displaygläser für Smartphones, strukturieren Oberflächen von Dünnschicht-Solarzellen und trennen sogar spröde
Keramikteile oder Diamanten. Auch in der Metallbearbeitung
finden sich erste, sehr erfolgversprechende Anwendungen. So haben
Trumpf, Bosch und die Friedrich-Schiller-Universität Jena für das Bohren von Einspritzdüsen mit ultrakurzen Laserpulsen vor kurzem den
Deutschen Zukunftspreis erhalten (siehe BLECH 1/2014).
Aber auch die Blechbearbeitung kann mit sehr interessanten und überaus zukunftsträchtigen Anwendungen aufwarten – und zwar bei der
Herstellung von pressgehärteten Tailored Welded Blanks. Diese Bauteile
kombinieren in einer einzigartigen Weise extreme Festigkeit und definierte Nachgiebigkeit und gelten als eine der Zukunftstechnologien im
Automobilbau. Denn mit diesen Blechen lassen sich Strukturteile von
Automobilen noch besser als bisher auf die Anforderungen anpassen
(Einen ausführlichen Beitrag dazu lesen Sie in der nächsten Ausgabe
der BLECH).
Laserschweißkopf von Andritz Soutec zur Herstellung von Tailored Welded
Blanks mit gekurvten Nähten.
Bild: Andritz Soutec
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TITELSTORY
Die große Herausforderung bei der Herstellung
dieser presshärtbaren Tailored Welded Blanks
ist das Schweißen, da sich das Aluminium der
für den Prozess wichtigen AlSi-Beschichtung
während des Schweißens nicht mit dem Stahl
vermengen darf. Andernfalls entstehen Einlagerungen, welche die Festigkeit der in der Regel
lasergeschweißten Naht so reduzieren, dass das
Material bei Belastung in der Schweißnaht reißt
– im Gegensatz zu den konventionellen, nichtwarmumgeformten Tailored Welded Blanks, die
im Grundwerkstoff versagen.
Zwischenschicht bleibt erhalten
Die besondere Schwierigkeit dabei: Die Beschichtung ist auch noch aus mehreren Lagen
aufgebaut: einer Decklage, einer 20 bis 22 µm
dicken Aluminium-Silizium-Legierung und
der etwa 8 µm dicken Zwischenschicht (Intermediate-Layer). Letztere entsteht während des
Auftragens der Beschichtung durch Vermengen
der Beschichtungslegierung und dem Grundwerkstoff durch Diffusion. Für den späteren
Korrosionsschutz während der Wärmebehandlung ist es notwendig, diese Zwischenschicht
auf der Platine zu belassen. Dieses Belassen der
Zwischenschicht hat sich ArcelorMittal Tailored
Blanks, ein Mitglied der ArcelorMittal Gruppe,
patentieren lassen.
Zum Abtragen wurden bei ArcelorMittal verschiedene Prozesse wie das Fräsen, Bürsten
oder Warmabtragen mit Draht untersucht, doch
keines dieser Verfahren hatte die notwendige
Performance oder Prozessstabilität. Doch dann
stieß ArcelorMittal Tailored Blanks auf den Kurzpulslaser und entwickelte ein laserbasiertes Verfahren zum Schichtabtrag (Ablation). Vorteil für
den Kurzpulslaser: Die Zwischenschicht hat
gegenüber der Aluminium-Silizium-Decklage
einen erhöhten Schmelzpunkt, wodurch diese
eine natürliche Barriere darstellt und ein weiteres Abtragen verhindert. Dadurch entsteht ein
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stabiles Prozessfenster für den Abtragsprozess.
Drei Prozesskomponenten beeinflussen diesen
Abtragsprozess: das Sublimieren der Beschichtung durch den Energieeintrag, das Einbringen
einer Schockwelle in die Beschichtung, so dass
sich diese absprengt, sowie das Aufschmelzen
der Beschichtung mit anschließendem Wegblasen der flüssigen Schmelze.
Andritz Soutec, ein weltweit führender Hersteller
von Systemen zum Fertigen von Tailored Welded
Blanks, evaluiert aktuell die einzelnen Prozessvarianten im Hinblick auf die Integration in das
gesamte Systemportfolio und möchte diese in
der industriellen Großfertigung effizient einsetzen. So laufen derzeit Untersuchungen mit dem
Kurzpulslaser TruMicro Serie 7000 von Trumpf
zusammen mit einer ebenfalls von Trumpf neu
entwickelten Bearbeitungsoptik. Bei diesem
Prozess wird die Beschichtung mit dem Kurzpulslaser aufgeschmolzen und anschließend
weggeblasen – eine Kombination, der Experten
ein enormes Potenzial zusprechen.
Für Andritz Soutec bietet die Zusammenarbeit
mit Trumpf gleich mehrere Vorteile wie weltweites Servicenetz, bekannte Schnittstellen und
Programmierungsinterface sowie die Verwendung von Industriestandards. Dazu kommt noch,
dass beide Unternehmen schon seit 15 Jahren
sehr erfolgreich beim Laserstrahlschweißen zusammenarbeiten, und etwa 80 Prozent aller seitdem ausgelieferten Systeme von Andritz Soutec
mit einem Trumpf Laser ausgestattet wurden.
Ablation noch in den Kinderschuhen
Im Vergleich zum bestens etablierten Laserschweißen steckt der Abtragsprozess allerdings
noch in den Kinderschuhen. Nach Einschätzung
von Michael Kronthaler, Leiter Process Engineering und Technology Center bei Andritz Soutec,
hat der industrielle Einsatz der Kurzpulslasertechnologie „… heute einen Stand erreicht, auf
dem das Laserstrahlschweißen von Tailored Welded Blanks vor 10 bis 15 Jahren war. Der Prozess
sowie die am Markt verfügbaren Strahlquellen
sind neu … “ und die Paramtervielfalt ist noch
nicht in allen Bereichen abschließend evaluiert.
Mit der Nachfrage nach höherer Prozessperformance müssen die Parameter kontinuierlich
neu erarbeitet, evaluiert und für eine 6SigmaAnwendung optimiert werden. Dabei profitiert
Andritz Soutec von einer umfassenden Erfahrung aus über 120 installierten Anlagen zum Laserschweißen von Tailored-Welded-Blanks, von
denen einige auf Kundenwunsch bereits mit der
Trumpf-Abtragstechnik ausgestattet wurden.
Allerdings arbeiten alle bislang installierten Systeme im Offline-Betrieb. Das heißt: Der Abtragsprozess erfolgt in einer separaten und nicht mit
der Schweißanlage verketteten Station. In dieser
werden die Bleche durch zwei Abtragsköpfe mit
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TITELSTORY
Um die Tailored Welded Blanks für das Presshärten verschweißen zu können,
wird im Bereich der Schweißnaht auf 3 mm Breite die Beschichtung mit einem
Kurzpulslaser definiert abgetragen. Bild: Trumpf
zwei separaten Strahlquellen von der Aluminium-Silizium-Beschichtung
befreit. Für die Hersteller der Tailored Welded Blanks bedeutet dies
jedoch zusätzlichen Aufwand bei der Handhabung der Bleche. Zudem
werden abhängig von der erreichten Abtragsgeschwindigkeit und der
Ausbringung einer Schweißanlage mehrere Abtragsstationen benötigt,
um die notwendigen Platinenteile zur Verfügung zu stellen.
Andritz Soutec hat diesen Mehraufwand auf Seiten der Kunden erkannt
und arbeitet daher an einer Lösung, beide Prozesse – Abtragen und
Schweißen – in einem System zu vereinen. Dies reduziert den Aufwand
deutlich und es ist nur eine Frage der Zeit, bis die ersten Maschinen
ausgeliefert werden können. Wie beim Laserstrahlschweißen fokussiert
sich die Firma auch hier auf höchste Produktivität. Ziel ist eine InlineAnlage, die mit der Geschwindigkeit der Schweißanlage von heute rund
10 m/min eine 3mm breite Abtragsspur generieren kann. W
www.trumpf.com / Lasys Halle 4, Stand C 51
www.andritz.com
Andritz Soutec AG
Andritz Soutec AG ist der führende Hersteller von Schweißsystemen
zur Fertigung von „Tailored Welded Products“. Das Portfolio umfasst
Anlagen für lineare Nähte (Soulas), gekurvte Nähte (Soutrac) und
Rohrprodukte (Soutube). Auf den Anlagen von Soutec werden Rohteile
für die Automobil-Karosserien von beinahe allen premium Automobilherstellern gefertigt. 70 Prozent des Umsatzes wird mit Laserstrahlschweißanlagen erwirtschaftet. Des Weiteren bietet Andritz Soutec
diverse Rollnaht-Widerstandsschweißmaschinen an, mit denen
Bauteile für den HVAC-Bereich sowie Abgaskomponenten zuverlässig
und wirtschaftlich produziert werden können. Komplettiert wird das
Sortiment durch die bewährte Widerstandsschweißsanlage Contour,
die Kraftstofftanks aus Stahl, selbst mit komplexen Geometrien, in
der erforderlichen Qualität und Stückzahl schweißt.
Der Anlagenhersteller wurde 2012 Teil der internationalen AndritzGruppe. Der Technologiekonzern Andritz erwirtschaftete 2013 einen
Umsatz von rund 5,7 Mrd. Euro und beschäftigt etwa 23.800 Mitarbeiter. Zusammen mit der in 2013 akquirierten Schuler Gruppe liefert
Andritz Anlagen und Ausrüstungen, die die komplette Prozesskette
vom Rollen der Stahlbänder bis zum geformten Bauteil abdecken.
Standort der Andritz Soutec AG mit ihren rund 100 Mitarbeitern ist
Neftenbach in der Nähe von Winterthur (Schweiz).
www.andritz.com
www.soutec.com
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»Industrietauglichkeit
längst bewiesen«
von Günter Kögel Ultrakurzpulslaser gelten als ‚die‘ Laserstrahlquelle der Zukunft. Wir sprachen
mit Dr. Dirk Sutter, Leitung UKP-Laserentwicklung &-Forschung von Trumpf, über das Potenzial
dieser Strahlquellen für die Blechbearbeitung – insbesondere bei der für Tailored Welded Blanks
wichtigen Ablation.
Herr Dr. Sutter, warum sind Ultrakurzpulslaser
so gut für die Ablation von Metallen geeignet?
Ultrakurz werden Laserpulse mit Piko- und Femtosekunden-Dauer genannt.
Derart kurze Pulse ermöglichen andere Mechanismen der Wechselwirkung
zwischen Laserstrahl und
Material – und erweitern so
das Anwendungsgebiet der
Lasertechnik. Die Materialbearbeitung mit längeren
Pulsen ist immer ein thermischer Prozess, bei dem
sich eine Wärmeeinflusszone ausbildet.
Die Materialbearbeitung
mit ultrakurzen Laserpulsen verläuft grundlegend
anders. Während eines
Wimpernschlags sendet
der Ultrakurzpulslaser bis
zu 24.000 Pulse mit enormen Spitzenleistungen aus.
Unter diesem „Extrembeschuss“ hat die Materie
keine Zeit zu schmelzen.
Sie wird einfach herausgeschleudert und verdampft,
weshalb man auch von kalter Bearbeitung spricht. So
lassen sich feinste Bereiche
in der Größe von nur wenigen Millionstel Millimetern
– Nanometern – abtragen,
und zwar ohne gratbildende
Schmelzreste und qualitätsmindernde Materialerwärmung.
Wie industrietauglich sind
diese Systeme heute?
Ihre Industrietauglichkeit
haben die Ultrakurzpulslaser in den hochrationalisierten DreischichtfertigunBLECH 04 | 2014
gen verschiedenster Hersteller längst bewiesen, wo sie Millionen von
Produkten gleichbleibender Qualität und Präzision bearbeiten. Inzwischen dringt die Technologie in immer neue Bereiche der Großserien-
Robotics innovation and more
STARMATIK S.r.l.
Via Montello 10-8/C
31040 Nervesa della Battaglia
Treviso (TV) - Italy
Tel. +39 0422 722964
[email protected]
www.starmatik.com
Ein sehr wichtiges Einsatzgebiet ist zudem die
Herstellung von Leiterplatten. Hier nehmen
die Strukturgrößen ständig ab, die Packungsdichten zu. Mit dem Ultrakurzpulslaser lassen
sich bis zu 1.000 Bohrungen pro Sekunde in
die Leiterplatte einbringen. Der kalte Laserabtrag verhindert hierbei eine Karbonisierung
der Microvias.
Dr. Dirk Sutter, Leitung UKP-Laserentwicklung &-Forschung von Trumpf
Bild: Zukunftspreis/Trumpf
Fertigung vor und verdrängt dabei konventionelle Methoden wie das
mechanische Bohren, das Erodieren oder das chemische Ätzen.
Aber auch ganz neue Produkte, die bisher gar nicht herstellbar waren,
werden mit dem Ultrakurzpulslaser möglich. Er schneidet medizinische Gefäßstützen aus Polymer-Röhrchen oder bruchfeste Displaygläser für Smartphones, strukturiert Oberflächen von DünnschichtSolarzellen, bohrt haarfeine Löcher in Metalle und trennt hauchdünne
Kunststofffolien, spröde Keramikteile, ja sogar Diamanten.
Welche Einsatzgebiete in der Blechbearbeitung sind heute bereits realisiert und welche haben Potenzial für die Zukunft?
Die ersten Schritte hat Trumpf zusammen mit Bosch und der Friedrich-Schiller-Universität Jena gemacht: Bohrungen in Einspritzdüsen,
deren Größe und Form sich durch die ultrakurzen Laserpulse so präzise steuern lässt, dass der Kraftstoff optimal im Inneren des Brennraums verteilt und effizienter verbrannt wird – was bis zu 20 Prozent
Kraftstoff und Emissionen einspart. Unter anderem dafür gab es den
Deutschen Zukunftspreis.
Doch schon wenn man sich im Hause Bosch genauer umsieht, findet
man viele weitere spannende Anwendungsfelder wie das SensorElement der Lambdasonde oder das neue Einspritzventil für Ölheizkessel von Bosch Buderus. In letzter Zeit hat der Pikosekundenlaser
auch bei mehreren Anwendungen in der Uhrenindustrie gezeigt, wo
er seine Vorteile ausspielen kann. So werden bereits Zahnräder sowie
bis zu 0,01 mm dünne Sekundenstoppfedern aus Stahlblech ohne
jeglichen Verzug ausgeschnitten.
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TITELSTORY
Was unterscheidet die Ultrakurzpulslaser von
Trumpf von den Strahlquellen anderer Hersteller?
Einzigartig ist die Scheibenlaser-Technologie.
Sie erlaubt die weltweit höchsten je erzeugten
mittleren Ultrakurzpulsleistungen und zugleich
auch höchste Spitzenleistungen. Vor allem
ist die präzise und sichere Steuerungstechnik
bedeutend: Die patentierte doppelte Regelschleife überwacht jeden einzelnen Pikosekunden-Puls und hält die Leistung und Pulsenergie
unabhängig von äußeren Einflüssen exakt auf
dem benötigten Niveau. Das passiert über
einen externen Modulator, der den Pulsaufbau
von der Leistungsregelung entkoppelt und damit immer exakt die eingestellte Leistung und
Pulsenergie liefert. Und das bei gleichbleibender Strahlqualität und Pulsdauer.
Durch diese Entwicklung bietet Trumpf ein
äußerst robustes Laserkonzept, das ohne
Einschränkungen für den Einsatz in einer
modernen Dreischichtfertigung ausgelegt ist.
Dabei muss für die Qualität nicht auf Wirtschaftlichkeit verzichtet werden. Mit einer
mittleren Leistung von über 100 Watt sind
Trumpfs Laser der TruMicro Serie 5000 die erfolgreichsten industriellen Pikosekundenlaser
zur Materialbearbeitung.
Wie wirken sich diese Unterschiede beim Einsatz in der Blechbearbeitung aus?
Die Investition in eine Ultrakurzpuls-Bearbeitungsmaschine rentiert sich oft sehr schnell, da
sich durch die schmelzfreie Bearbeitung von
Metallen zuvor notwendige Nachbearbeitungsschritte komplett eliminieren lassen. Zudem
erreicht die Anlage aufgrund der hohen Strahlqualität generell eine höhere Präzision bei
größter Flexibilität. Das A und O eines Indus­
trielasers ist dabei die Zuverlässigkeit, und hier
können die Trumpf-Kunden auf langjährige
Erfahrung vertrauen. Wenn das Werkstück aus
Komponenten mit unterschiedlichen thermomechanischen Eigenschaften besteht, so lassen
sich oft auch längere, Nanosekunden-Laserpulse zum selektiven Abtrag einsetzen. Trumpfs
TruMicro Serie 7000 bietet hier aufgrund
deutlich höherer mittlerer Leistung vielfältige
Möglichkeiten, zum Beispiel beim Abtrag von
AlSi-Schichten in der Schweißvorbereitung. «
www.trumpf.com
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