Projekte

Effiziente Emissionsabsaugung und Bauteilreinigung für die großflächige Laser-Remote-Bearbeitung (CleanRemote)

Durch neue brillante Hochleistungs-Laserstrahlquellen und geeignete Systemtechnik ist heute die quasi-simultane Laserbearbeitung in großen Arbeitsfeldern (bis zu 1 m²) realisierbar. Das sogenannte Remote-System ist ein universales Werkzeug, bei dem ein Laserstrahl über schnell verkippbare Spiegel auf das Bauteil gelenkt wird. Es kann zum Schneiden, Schweißen, Abtragen, Beschriften, oder Härten von unterschiedlichen Werkstoffen wie Metall, Textilien oder Kunststoffen verwendet werden. Diese Flexibilität und deutlich sinkende Investitionskosten sorgen dafür, dass immer mehr klein- und mittelständische Unternehmen eine Anschaffung dieser modernen Anlagentechnik erwägen. Aktuelle Vorbehalte begründen sich im Fehlen des Verständnisses zu Systemauslegung und Prozess sowie in umwelt- und arbeitsschutzrechtlichen Bedenken bei der Laser-Remote-Bearbeitung, da hierbei nicht an der Wirkstelle abgesaugt werden kann, sondern die Bearbeitungsemissionen im gesamten Arbeitsraum entstehen.

Diese Rahmenbedingungen erfordern deshalb neben dem Aufbau des allgemeingültigen Prozessverständnisses die Entwicklung flexibler Gaszufuhr- und Absauglösungen bis hin zu integrierten Konzepten für eine nachgelagerte Bauteilreinigung.

Lösung

Flexibilität eines Laser-Remote-Systems für verschiedene Anwendungen: 1: Schneiden von Metallfolien, 2: Schweißen von Wärmetauschern,  3: Zuschnitt von Textilien
© Fraunhofer IWS Dresden
Flexibilität eines Laser-Remote-Systems für verschiedene Anwendungen: 1: Schneiden von Metallfolien, 2: Schweißen von Wärmetauschern, 3: Zuschnitt von Textilien

An ausgewählten relevanten Werkstoffen wie beispielsweise kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) mit duromerer Matrix sowie Edelstahl werden während der Laserstrukturierung mit Hochleistungslasern in einer abgeschlossenen und abgesaugten Kammer die Anzahl und Größenverteilung an entstehenden Partikeln als auch die Schadgaszusammensetzung ermittelt und ausgewertet. Zusätzlich dazu erfolgt eine Probenentnahme aus dem Bearbeitungsraum, um die nicht abgesaugten Partikel nachträglich durch lichtmikroskopische Klassifizierung zu erfassen.

Ausgehend von diesen Erkenntnissen kann dann ein applikationsangepasstes Modell zur Strömungssimulation aufgebaut werden, welches die Erstellung von Gestaltungsvorschriften zur effizienten Emissionsabsaugung ermöglicht.

In Abhängigkeit der entstehenden Partikel und Verschmutzungen direkt auf dem Bauteil können dann zusätzliche lokal arbeitende Reinigungsverfahren in die Remote-Anlage eingebunden werden.

Ergebnisse

Partikelmessung beim Laser Remote-Abtragprozess ermittelt mit einem Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS)
© Fraunhofer IWS Dresden
Partikelmessung beim Laser Remote-Abtragprozess ermittelt mit einem Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS)
Partikelflugbahnen für Partikelgrößen zwischen 5 und 40 µm für die Position "Düse" (links), Position "Mitte" (mitte) und Position "Absaugung" jeweils nach 16 ms (oben) und 32 ms (unten)
© Fraunhofer IWS Dresden
Partikelflugbahnen für Partikelgrößen zwischen 5 und 40 µm für die Position "Düse" (links), Position "Mitte" (mitte) und Position "Absaugung" jeweils nach 16 ms (oben) und 32 ms (unten)

Zur Analytik der an der Laser-Wirkstelle entstehenden Partikel wurden Größenverteilungsmessungen mittels Aerosol- sowie SMPS-Spektrometrie (Scanning Mobility Particle Sizer) durchgeführt. Entstehende gasförmige Emissionen wurden FTIR-spektroskopisch untersucht. Es zeigte sich, dass beispielsweise an CFK eine Vielzahl von Partikeln unterschiedlicher Größe entstehen, wobei das Maximum im Größenbereich bis 30 nm (aveolengängig) liegt. Außerdem konnten zusätzlich verschiedene Schadgase wie z.B. Kohlenmonoxid, Stickoxide als auch Formaldehyde nachgewiesen werden. Mit der Erkenntnis über die entstandenen Stoffe und Partikelgrößen können dem Anwender entsprechend geeignete Partikel- als auch Gasfilter empfohlen und diese auch auf Wirksamkeit getestet werden.

Zusätzlich zur Analytik der entstehenden Emissionen konnten im Ergebnis der Strömungssimulation Gestaltungsrichtlinien zur optimalen Einbindung von Crossjet und Absaugung erarbeitet werden, um die Verschmutzung der Teile beim Abtragprozess zu minimieren. Eine sich daran anschließende rückstandsfreie und nicht abrasive Reinigung mittels CO2-Schneestrahlen konnte in die Laser-Remote-Anlage eingebunden werden und ermöglicht so eine nachweislich saubere Bauteiloberfläche.

Forschungsförderung

© Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Ein Teil dieser Forschung wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie auf der Grundlage der Entscheidung des Deutschen Bundestags im Rahmen des Projekts »CleanRemote« (Effiziente Emissionsabsaugung und Bauteilreinigung für die großflächige Laser-Remote-Bearbeitung mit Hochleistungslasern; IGF:19239BR) gefördert.

Weitere Informationen

Kompetenzen

Kooperation

Gemeinsame Projektbearbeitung mit der Technischen Universität Dresden, Fachrichtung Chemie und Lebensmittelchemie, Professur für Anorganische Chemie I

 

Fakultät Chemie und Lebensmittelchemie

Die Professur für Anorganische Chemie I erforscht moderne anorganische Materialien von der Synthese über die Charakterisierung bis zur Anwendung. Forschungsgebiete sind Materialien für die Energiewende, Materialien für Umwelttechnologien, Lichtmanagement und Oberflächentechnologien sowie Industrielle Anorganische Chemie.