Unterwasserlaser

Motivation

Die Erde ist zu 71 % mit Wasser bedeckt. Die verbleibenden 29 % gelten zu 61 % als bewohnbar, womit nur 18,3 % des Planeten den über 8 Milliarden Menschen als Lebensraum zur Verfügung stehen. Der Energiehunger der Menschheit soll zukünftig nahezu vollständig aus regenerativen Quellen erfolgen. Es wird also eng.

Als neuer Lebens- und Wirtschaftsraum besitzt der Ozean, im speziellen die Offshore-Gebiete, auf Grund von Größe und Klima das größte Potential. Zur Erschließung jener ist geeignete Fertigungstechnologie unabdingbar. Trennen und Fügen sind Verfahren, die vorrangig am Einsatzort respektive im Meer erfolgen müssen. Das Verhältnis von Laser und Wasser galt bisher wie das vom Teufel und dem Weihwasser.
 

Innovation

Die Wellenlängen grün und blau besitzen keine nennenswerte Absorption in Wasser und eine erhöhte Absorption am Werkstück. Dementsprechend kann das Austriebsmedium Gas durch Wasser ersetzt werden. Wasser ist inkompressibel und strömt als Flüssigkeit laminarer als Gas. Dementsprechend kann mit einem deutlich geringeren Volumenstrom die benötige Austriebskraft deutlich besser auf die Schneidfront übertragen werden. In der Folge sollte sich eine deutlich glattere Schnittkante bilden und die Ablösung der Schmelze an der Werkstückunterseite ebenfalls signifikant besser gelingen. Als zusätzlicher Effekt könnten Mikroverdampfungen im Wasser wirken. Das geschmolzene Material besitzt üblicherweise Temperaturen über dem Siedepunkt von Wasser. Die Verdampfung des Wassers benötigt zwar zusätzliche Energie, jedoch erzeugt der expandierende Wasserdampf eine zusätzliche Austriebskraft direkt am benötigten Ort und könnte den Materialaustrieb positiv beeinflußen.
 

Ziele und Vorgehen

Zuerst erfolgt einer mathematisch-physikalische Prozessbeschreibung, zur Abschätzung der erzielbaren Prozessgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Laserleistung, Material und Dicke als Werkzeug Vorhersagen für die zukünftige Leistungssteigerung der Laserquellen zu treffen.

Der Lösung der Herausforderung von Feuchtigkeit und optischen Komponenten folgt die Überführung in eine geeignete Prozessoptik zum Unterwasserschneiden mit Wasser als Austriebsmedium.

Zum Schluss erfolgt der Aufbau eines funktionstüchtigen Versuchsumfeldes zum experimentellen Nachweis der der dargestellten Innovation.

Parallel erfolgt die Prüfung der Eignung zum Laserauftragsschweißen.

Perspektiven

Das Fraunhofer IWS ist im Kompetenznetzwerk Ocean Technologies aktiv, welches die Off-Shore, Sea-, und Deepsea-Aktivitäten der Fraunhofer Gesellschaft bündelt. Aktuell entsteht am Standort Rostock ein Unterwassertechnikum in der Ostsee. Dieses schafft für typische Anwendungsfelder, wie Pipelines, Kabel, Munition und Offshore-Einbauten (Windräder, Plattformen etc.) einen Unterwasserexperimentierraum.

Mit Fertigstellung dieses Versuchsfeld sind Fraunhoferverbundprojekte geplant um die fraunhoferweite Nutzung des Versuchsfeldes voran zu bringen. Dieses Projekt bereitet das Fraunhofer IWS darauf vor auf diesem Versuchsfeld aktiv zu werden.

Einsatzgebiete dieser Technologie finden sich im MRO (Maintanance, Repair & Overhaul) von metallischen Offshore-Einbauten. Offshore ist der Verschleiß einsatzortbedingt höher. Typische Herangehensweise ist das Heraustrennen (Laserschneiden) des schadhaften Bereiches und Einsetzen eines Reparaturstücks. Der Bedarf wird zukünftig exponentiell steigen.

Weiterhin sind auch On-Shore-Anwendungen, die aber im Wasser stattfinden, von Interesse. Hierzu zählen das Untwerasser-Laserschneiden von thermisch sensitiven Bauteilen, das Schneiden von Brennstäben im AKW-Rückbau und das Öffnen von chemischen und selbstentzündlichen Kampfstoffen mit Wasser als Schutzatmosphäre.

Wir sind der Meinung das nach Green Economy, Blue Economy ein Megatrend in der nächsten Decade sein wird.