Digital Photonic Production ist mehr als schweißen und schneiden

Durchbruch für die Serienproduktion bis zur EMO Hannover 2013

 

Frankfurt am Main, 26. September 2012 – „Nun bricht das Zeitalter der Digital Photonic Production an“, freut sich Prof. Reinhart Poprawe, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen. Das neue Zeitalter der leistungsstarken optischen Technologien passt gut zum allgemeinen Trend „Intelligence in Production“, dem Motto der EMO Hannover 2013.

Was suchen ausgewiesene Laserexperten auf der Weltleitmesse der Metallbearbeitung? „Für uns ist die Messe ein wichtiger Indikator für den möglichen Einsatz des Lasers in der Werkzeugmaschine“, sagt Peter Abels, Gruppenleiter „Prozesssensorik und Systemtechnik“ am Fraunhofer ILT. Hier könnte sich beim Blick auf die leicht integrierbare Lasertechnik bis zum Herbst 2013 noch viel tun.

Es gibt im Prinzip für jeden Werkstoff und für nahezu jede Anwendung eine oder mehrere mögliche Strahlquellen. „Ein wichtiger Faktor ist die Absorption des Materials“, erklärt der Laserfachmann. „So kann der Anwender mit dem CO2-Laser sehr gut Stähle oder Kunststoffe bearbeiten, während sich Faser-, Scheiben- oder Diodenlaser auch für Metalle wie Aluminium und Kupfer eignen.“ Die fasergeführten Lasersysteme kämen infrage für die Automatisierung und die

Integration in Werkzeugmaschinen, weil ihr Handling wesentlich unkomplizierter

als bei einem klassischen CO2-Aggregat ist.

Integration in die Werkzeugmaschine

Der Laser hat sich längst in vielen Branchen (etwa bei der Herstellung von Autos, Flugzeugen oder Schiffen) etabliert: In der Serienproduktion hat er sich bereits seit Jahrzehnten beim Schweißen und Schneiden bewährt. Als Anwendungen für den Laser sieht Abels auch das Härten, Polieren von Bauteilen sowie das Strukturieren von Oberflächen.  „Diese Funktionen ließen sich gut in Werkzeugmaschinen integrieren“, sagt er.

Gute Chancen auf den Einzug in die Serienproduktion haben aber auch generierende Verfahren, die Experten wie Professor Poprawe unter dem Begriff  Digital Photonic Production zusammenfassen. Es geht um Laser Additive Manufacturing (LAM), den schichtweisen Aufbau von Bauteilen aus Pulver per Laser. Zu den Pionieren gehören Firmen aus der Luft- und Raumfahrt, die mit Verfahren wie Laserauftragsschweissen (LMD: Laser Metal Deposition) und selektivem Laserschmelzen (SLM: Selective Laser Melting) Bauteile reparieren beziehungsweise fertigen. „Diese generierende Technik könnte demnächst in die Serienproduktion Einzug halten“, erklärt Abels. „Das wäre ein großer Schritt für die Lasertechnik, denn dann ließen sich auch individualisierte Bauteile in der Serie herstellen.“

Insgesamt drei mögliche Einsatzszenarien sieht er für den Laser: Die Bandbreite reiche von der Insellösung (Einzeleinsatz), der Integration in bestehende Maschinen und Systeme bis hin zur Digital Photonic Production. „Die generierenden Verfahren stehen dabei noch ganz am Anfang“, beobachtet Abels. „Ich könnte mir hier gut vorstellen, dass es zu einer Kombination etwa des selektiven Lasersinterns mit anderen Verfahren kommt.“ Denkbar wäre für ihn eine Hybridmaschine, die mit einem konventionellen Verfahren (etwa per Drehen) einen groben Grundkörper herstellt, an die dann ein generatives Laserverfahren wie SLM schichtweise in höherer Genauigkeit Spezialbauteile anbaut.

„Tailored materials“ im Kommen

Das heißt: Die Werkzeugmaschine trägt per Zerspanen erst Material ab und fügt dann schichtweise mit dem Laser wieder Werkstoff hinzu. Doch es geht auch umgekehrt. Abels: „Forschungsprojekte beschäftigen sich bereits mit dem schichtweisen Aufbau von maßgeschneiderten Hybridwerkstoffen, die beispielsweise aus Kunststoff und Metall bestehen. Diese „tailored materials“ lassen sich dann konventionell zerspanen.“

Die Digital Photonic Production ist schon längst keine Zukunftsmusik mehr. Mit diesem Thema  beschäftigt sich das Fraunhofer ILT beispielsweise im Fraunhofer-Innovationscluster „Integrative Produktionstechnik für energieeffiziente Turbomaschinen – TurPro“. In Kooperation mit Rolls-Royce Deutschland und in Partnerschaft mit dem Fraunhofer IPT entstand in Aachen ein lasergestütztes Verfahren zur Fertigung und Instandhaltung von Bauteilen für Flugzeugtriebwerke (Blisk: Blade Integrated Disk).

Laserauftragsschweißen: Einstieg in die Serienproduktion

Mit dem Laserauftragsschweißen (LMD) gelang es den Aachener Forschern, die Produktionskosten von Blisks im Vergleich zu konventionellen Verfahren signifikant zu senken. Im Detail: LMD reduzierte den Materialbedarf um bis zu 60 Prozent und die gesamte Fertigungszeit um rund 30 Prozent. Für die Entwicklung dieses ressourcenschonenden Verfahrens  wurde das Forscherteam um Dr. Ingomar Kelbassa, Fraunhofer ILT, mit dem zweiten Platz des Ferchau-Innovationspreises 2011 ausgezeichnet. Anwender aus der Luftfahrt rechnen damit, in Kürze mit LMD bereits Blisks in Serie herzustellen. Abels: „Ich gehe daher davon aus, dass unser Institut vor allem in der Digital Photonic Production sehr viel voran bringen wird – auch wegen des Interesses nicht nur der Automobilindustrie.“

Doch es handelt sich nicht nur um Zukunftsmusik für Europa: Vieles spricht dafür, dass Digital Photonic Production auch die USA erobert. Dafür dürfte
auch das enge Netzwerk des Fraunhofer-Institutes sorgen, das in Kooperation mit der University of Michigan, der Wayne State University in Detroit sowie anderen führenden US-Hochschulen auf dem Gebiet der Lasertechnik forscht und entwickelt. Das Ziel der Zusammenarbeit nennt die Homepage:
„Die zentrale Philosophie ist der Aufbau einer deutsch-amerikanischenZusammenarbeit, bei dem Nehmen und Geben im Einklang stehen.“

Autor: Nikolaus Fecht, Fachjournalist aus Gelsenkirchen

Hintergrund

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Mit rund 370 Mitarbeitern und 11 000 m² Nutzfläche zählt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT weltweit zu den bedeutendsten Auftragsforschungs- und Entwicklungsinstituten im Bereich Laserentwicklung und Laseranwendungen. Die Kernkompetenzen umfassen die Entwicklung neuer Laserstrahlquellen und -komponenten, die Lasermess- und Prüftechnik sowie die Laserfertigungstechnik. Hierzu zählt beispielsweise das Schneiden, Abtragen, Bohren, Schweißen und Löten sowie das Oberflächenvergüten, die Mikrofertigung und das Rapid Manufacturing.

EMO Hannover 2013 – Weltleitmesse der Metallbearbeitung

Vom 16. bis 21. September 2013 präsentieren internationale Hersteller von Produktionstechnologie zur EMO Hannover 2013 „Intelligence in Production“. Die Weltleitmesse der Metallbearbeitung zeigt die gesamte Bandbreite moderner Metallbearbeitungstechnik, die das Herz jeder Industrieproduktion ist. Vorgestellt werden neueste Maschinen plus effiziente technische Lösungen, Produkt begleitende Dienstleistungen, Nachhaltigkeit in der Produktion u.v.m. Der Schwerpunkt der EMO Hannover liegt bei spanenden und umformenden Werkzeugmaschinen, Fertigungssystemen, Präzisionswerkzeugen, automatisiertem Materialfluss, Computertechnologie, Industrieelektronik und Zubehör. Die Fachbesucher der EMO kommen aus allen wichtigen Industriebranchen, wie Maschinen- und Anlagenbau, Automobilindustrie und ihren Zulieferern, Luft- und Raumfahrttechnik, Feinmechanik und Optik, Schiffbau, Medizintechnik, Werkzeug- und Formenbau, Stahl- und Leichtbau. Die EMO Hannover ist der wichtigste internationale Treffpunkt für die Fertigungstechnik weltweit. Zur EMO Hannover  2011 zogen über 2 000 Aussteller rd. 140 000 Fachbesucher aus über 100 Ländern an. EMO ist eine eingetragene Marke des europäischen Werkzeugmaschinenverbands CECIMO.

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