Laser für den Leichtbau

May 15, 2023

Automobilhersteller auf der ganzen Welt sind heutzutage verzweifelt daran interessiert, das Fahrzeuggewicht zu reduzieren. BMW ist keine Ausnahme.

Beispielsweise ist der 2017er 5er des Autoherstellers 137 Pfund leichter als das Vorgängermodell. Dieser Gewichtsverlust ist umso beeindruckender, wenn man bedenkt, dass die Limousine 2017 länger, breiter, höher, steifer und stärker ist als das Modell 2016.

Die Gewichtsreduzierung des Fahrzeugs erforderte eine ausgeklügelte Technik und den verstärkten Einsatz von hochfestem Stahl, Aluminium und Magnesium. Der 5er 2016 enthielt bereits eine ganze Menge Aluminium, einschließlich der Türen, der Motorhaube und der vorderen Kotflügel. Das Modell 2017 verbraucht noch mehr. Die Ingenieure haben den hinteren Längsträger neu gestaltet und 18 Teile zu einem einzigen Aluminiumgussteil zusammengefasst. Das hat 24 Pfund gespart. Ein Aluminium-Kofferraumdeckel sparte 9 weitere. Auch der Kofferraum, der Motorquerträger und das Dach bestehen aus Aluminium.

Der strategische Einsatz von hochfesten und ultrahochfesten Stählen im Dach, an den Längsträgern und am Heck verleiht der Karosserie eine hohe strukturelle Festigkeit und reduziert gleichzeitig das Gewicht. Und BMW verwendete Magnesium, um die Instrumententafel zu gießen, wodurch sie 4 Pfund leichter war als sein Vorgänger aus Stahl.

Um diese Materialien zusammenzubauen, mussten Automobilhersteller eine Vielzahl neuer Verbindungstechnologien einführen, darunter selbststanzende Nieten, Fließbohrschrauben, Strukturklebstoffe und zunehmend auch Laserschweißen.

„Laser sind ein weiteres Werkzeug im Werkzeugkasten für die Materialverbindung“, sagt Nathan Harris, Automotive Industry Manager bei TRUMPF Inc. „Schweißen, Verbindungselemente, Klebstoffe – sie alle haben ihre Stärken und Schwächen. Es gibt kein ‚Wundermittel‘, das alles löst.“ Herausforderung beim Verbinden von Werkstoffen, vor der Automobilhersteller heute stehen.

BMW ist nicht der einzige Automobilhersteller, der die Vorteile des Laserschweißens nutzt. Die Technologie wird in zahlreichen Fahrzeugen eingesetzt, darunter im Ford F-150, im Cadillac CT6, im Honda Accord und im MINI Cooper.

Laser werden insbesondere bei der Montage von Aluminiumtüren, Fensterrahmen, Motorhauben, Kofferraumdeckeln und anderen Teilen eingesetzt, die eine Oberfläche der Klasse A erfordern. Bei der 5er-Serie beispielsweise hat BMW vom Crimpen und Kleben der Vollaluminiumtüren auf das Laserschweißen von Aluminium-Außenteilen auf Stahl-Innenteile umgestellt und so das Gewicht des Fahrzeugs um mindestens 13 Pfund eingespart.

Laser sind bei diesen Anwendungen von Vorteil, da Ingenieure die auf die Baugruppe gerichtete Energie sorgfältig steuern und fokussieren können. Durch Lichtbogenschweißen oder Widerstandspunktschweißen hergestellte Verbindungen müssen möglicherweise nachgeschliffen werden; Durch Laserschweißen hergestellte Verbindungen benötigen wenig oder gar nichts.

Ein weiterer Vorteil des Laserschweißens ist die Möglichkeit, durchgehende Schweißnähte, parallele Schweißnähte sowie C- oder S-förmige Schweißnähte herzustellen. Dies kann zu stärkeren Schweißnähten führen und es Ingenieuren ermöglichen, bei ihren Konstruktionen dünnere Materialien zu verwenden. Es ist besonders nützlich für stark beanspruchte Bereiche, in denen traditionell Punktschweißen eingesetzt wird.

Beispielsweise können Laserstiche die Widerstandspunktschweißnaht ersetzen, die zur Verbindung von oberem Dachrahmen und unterem Schweller verwendet wird. Bei der A- oder B-Säule können durchgehende Nähte Nähte ersetzen und zusätzliche Verstärkungen überflüssig machen.

„Stellen Sie sich bei einer Überlappungsschweißung statt nur einer geraden Linie, die über die Verbindung verläuft, vor, die Schweißung mit einem Zickzackmuster oder einem Wirbelmuster durchzuführen“, erklärt Harris. „Oder stellen Sie sich vor, Sie würden eine Reihe von Stichnähten herstellen, jede 5 Millimeter lang und in jedem beliebigen Abstand angeordnet. Das geht sehr schnell.“

Da der Laser so stark fokussiert werden kann, können Ingenieure schmalere Flansche konstruieren oder sogar ganz auf den Flansch verzichten. Beim Widerstandspunktschweißen kann ein typischer Flansch eine Breite von 20 Millimetern oder mehr haben. Beim Laserschweißen kann der Flansch weniger als 10 Millimeter betragen, da der Laserstrahl so schmal ist und der Prozess nur Zugang zu einer Seite der Verbindung benötigt.

Laser ermöglichen es Automobilherstellern, auch in anderen Teilen des Fahrzeugs leichtere Materialien zu verwenden. Mit Lasern werden Kraftstofffilter, Lenkstangen, Sensoren, Steuermodule und Antriebsstrangkomponenten geschweißt. Bei Elektrofahrzeugen schweißen Laser die Gehäuse der einzelnen Batterien sowie die Fächer, in denen die Batterien aufbewahrt werden.

Laser erzeugen schnelle und saubere Schweißnähte in Aluminium. Die Wärmeeinflusszone ist minimal und die Schweißnaht kann bis zu 0,25 Zoll tief sein. Das Laserschweißen kann sogar bei rissempfindlichen Materialien wie Aluminiumlegierungen der Serie 6000 eingesetzt werden, wenn es mit einem geeigneten Zusatzwerkstoff wie 4032- oder 4047-Aluminium kombiniert wird.

Zum Schweißen von Aluminium eignen sich mehrere Lasertypen: CO2, Nd:YAG, Faser und Scheibe. Welche zu verwenden ist, hängt von den Kosten, der Verbindungskonfiguration und den zu schweißenden Materialien ab.

Der TruDisk von TRUMPF ist ein Hochleistungs-Festkörperlaser zum Schweißen, Schneiden und Oberflächenbearbeiten von Metallen. Mit einem Leistungsbereich von 1 bis 16 Kilowatt erzeugt der TruDisk-Laser eine Strahlqualität von nur 2 Millimeter·Milliradiant. Dieser kompakte, modulare Laser ist energieeffizient und liefert eine konstante Leistung beim Schweißen.

Dank eines patentierten Resonatordesigns verkraftet der TruDisk selbst starke Rückreflexionen. Dadurch kann der Laser stark reflektierende Materialien wie Kupfer und andere Nichteisenmetalle bearbeiten. Der Scheibenlaser ist unempfindlich gegenüber rauen Umgebungsbedingungen wie Kälte, Hitze, Staub, hoher Luftfeuchtigkeit oder Vibrationen.

Der Laser ist mit zwei Kühloptionen erhältlich: einem standardmäßig integrierten Wärmetauscher oder einem optionalen integrierten Kompressorkühler, abhängig von der Temperatur der Wasserversorgung der Anlage.

Eine Schlüsseltechnologie für das Roboter-Laserschweißen von Autoteilen ist die Programmable Focus Optics (PFO) von TRUMPF, die den Laserstrahl mithilfe zweier Spiegel im Bearbeitungsfeld positioniert. Die Spiegel ändern ihre Richtung präzise und hochdynamisch. Die Technologie ermöglicht die Positionierung des Laserstrahls an einer beliebigen Stelle im Bearbeitungsfeld. Es kann den Laserstrahl auch entlang beliebiger Konturen führen. Prozesssensoren überwachen die Materialoberfläche und weisen den PFO an, den Strahlengang anzupassen.

Da sich weder das Werkstück noch die Optik bewegen müssen, ermöglicht PFO eine hohe Produktivität. Und durch die Planfeldlinse sind die Fokussierungsverhältnisse und damit die Bearbeitungsqualität an jedem Punkt des Bearbeitungsfeldes identisch.

Die PFO-Technologie eignet sich besonders gut zum Schweißen großer Werkstücke, wie beispielsweise Fahrzeugtüren.

„Mit PFO können Sie unterschiedliche Schweißnahtgeometrien und verschiedene Arten von Schweißnähten erstellen“, sagt Harris. „Es kann sich um eine Kehlnaht, eine Punktschweißung oder eine Heftklammerkonstruktion handeln. Dies ermöglicht viel Kreativität bei der Gestaltung von Schweißverbindungen, insbesondere bei Gehäusen.“

Dank Fortschritten in der Bildgebungstechnologie und der Rechenleistung kann der Laser jetzt genauer gesteuert werden. Das System kann in Echtzeit Anpassungen am Prozess vornehmen und überprüfen, ob die Schweißnaht voreingestellte Kriterien erfüllt. „Es handelt sich um einen geschlossenen Prozess. Sie erhalten die Rückmeldung, dass die Schweißung korrekt ausgeführt wurde“, sagt Harris.

Mit der Software Fastsuite Edition 2 von CENIT North America Inc. können Ingenieure Roboter-Lichtbogenschweiß- und Laserschweißvorgänge programmieren und simulieren. Die Software erstellt genaue, fehlerfreie und homogene Schweißprogramme für alles, von Einzelroboter-Setups bis hin zu komplexen Schweißzellen, unabhängig von der Robotermarke oder dem Robotermodell, einschließlich Umgebungen mit mehreren Robotern und einer Vielzahl von Komponenten.

Ingenieure können Daten aus jedem CAD-System importieren, einschließlich STEP, IGES und JT-integrierter, direkter Schnittstellen zu CATIA, NX und SolidWorks. Schweißliniendefinitionen können direkt aus 3D-CAD-Daten erstellt werden, einschließlich automatischer Anfahr- und Rückzugsbewegungen. Prozessparameter wie Schweißnahtversätze und Pistolenabstand zum Teil können einfach über eine benutzerfreundliche Oberfläche angepasst werden. Ingenieure können eine „Schweißverfahrensspezifikation“ aus einer anpassbaren Datenbank genehmigter Schweißparameter auswählen.

Die Software ermöglicht auch die automatische Positionierung und Interpolation externer Achs- und Werkstückpositionierer.

Aktuelle Upgrades ermöglichen es Ingenieuren, den TruLaser Robot 5020 oder TruLaser Weld 5000 von TRUMPF Inc., den Laserschweißer FLW 4000 M3 von Amada America Inc. und andere Systeme zu programmieren.

Für weitere Informationen rufen Sie CENIT unter 248-309-3251 an oder besuchen Sie www.fastsuite.com.