Messe-Exponate

Werkstoff und Laser mit System

Besuchen Sie uns auf internationalen Fachmessen und entdecken Sie Trends sowie zukunftsweisende Entwicklungen in der Werkstoff-, Oberflächen- und Lasertechnik. Unsere Experten beraten Sie gern über individuelle Lösungen. Auf dieser Webseite finden Sie eine Übersicht über unsere aktuellen Messe-Exponate. Für eine schnelle Navigation nutzen Sie bitte die untenstehenden Links:

 

Abtragen und Trennen

Additive Fertigung

Biosystemtechnik und Digitalisierung

Chemische Oberflächen- und Batterietechnik

Fügen

Kohlenstoffschichten

Laser-Präzisionsbearbeitung

Nanoschichten

Optische Messtechnik

Thermisches Beschichten

Wärmebehandeln und Plattieren

 

Scanner-Einsatz beim Laserschneiden und Laserschweißen

Kopplung von Laserquelle, dreidimensionaler Strahlfirmungseinheit und Multi-Sensorik-System zur intelligenten Prozesssteuerung.
© Fraunhofer IWS
Kopplung von Laserquelle, dreidimensionaler Strahlfirmungseinheit und Multi-Sensorik-System zur intelligenten Prozesssteuerung.

Sensorik-gestützte Lasermaterialbearbeitung mit dreidimensionaler dynamischer Strahlformung

In einem ganzheitlichen Lösungsansatz werden Laserquelle, dreidimensionale Strahlformung und Prozesssensorik zur effizienten und zuverlässigen Prozessregelung für das Laserschneiden, Laserschweißen und Laserhärten gekoppelt. Die dynamische dreidimensionale Strahlformung ermöglicht eine zeitliche sowie örtliche Änderung der Energieverteilung im Bereich mehrerer Kilohertz, wobei diese innerhalb von wenigen Millisekunden sensorgesteuert angepasst werden kann.   

Die geringe Latenz benötigt einen enormen Rechenaufwand, weshalb eine multisensorische Überwachung und eine KI-basierte Datenverarbeitung Gegenstand der aktuellen Forschung ist, um die neue Generation einer Inline-Prozesssteuerung zu entwickeln. Fernziel ist die Berücksichtigung weiterer notwendiger Bauteil- und Fertigungsinformationen, um Konzepte für Cloud-basierte datengesteuerte Dienste zu entwickeln.

Additiv gefertigtes Raketentriebwerk mit Aerospike-Düse für Microlauncher

Additiv gefertigtes Raketentriebwerk mit Aerospike-Düse für Microlauncher (Aerospike)
© Fraunhofer IWS
Additiv gefertigtes Raketentriebwerk mit Aerospike-Düse für Microlauncher (Aerospike)

Microlauncher können kleine Nutzlasten wie Satelliten bis 350 kg befördern und sind eine besonders sparsame Alternative zu herkömmlichen Trägerraketen. Aerospike-Antriebe ließen sich bisher nicht mit konventionellen Fertigungsverfahren umsetzen, da sie besondere Herausforderungen an die Kühlung stark beanspruchter Bauteilregionen stellen. Theoretisch sind 30 Prozent Kraftstoffeinsparungen für Microlauncheranwendungen im Vergleich zu konventionellen Triebwerken möglich.

Gemeinsam mit Raumfahrtexperten der TU Dresden wurden zunächst in einer Geometriestudie die Vorzüge der additiven Fertigung für innovative Kühlkanäle und strömungsoptimierte Treibstoffzuführungen genutzt. Danach wurde ein per Laser Powder Bed Fusion additiv gefertigtes Aerospike-Raketentriebwerk für den Teststand entwickelt und dessen Funktion im Heißgastest nachgewiesen.

Datenschutz und Datenverarbeitung

Wir setzen zum Einbinden von Videos den Anbieter YouTube ein. Wie die meisten Websites verwendet YouTube Cookies, um Informationen über die Besucher ihrer Internetseite zu sammeln. Wenn Sie das Video starten, könnte dies Datenverarbeitungsvorgänge auslösen. Darauf haben wir keinen Einfluss. Weitere Informationen über Datenschutz bei YouTube finden Sie in deren Datenschutzerklärung unter: https://policies.google.com/privacy

Video:

Additiv gefertigtes Raketentriebwerk mit Aerospike-Düse für Microlauncher: von Konzeptstudien bis zum Probebetrieb

Prozessmonitoring beim Laserauftragschweißen

POWDERscreen ist konzipiert für das Laserauftragschweißen, bei dem Spezialdüsen konzentrierte Ströme aus Metallpulver genau in den Fokus eines Laserstrahls fördern. Der schmilzt das Pulver auf der Werkstückoberfläche auf, um komplexe 3D-Strukturen zu erzeugen.
© Christoph Wilsnack/Fraunhofer IWS
POWDERscreen ist konzipiert für das Laserauftragschweißen, bei dem Spezialdüsen konzentrierte Ströme aus Metallpulver genau in den Fokus eines Laserstrahls fördern. Der schmilzt das Pulver auf der Werkstückoberfläche auf, um komplexe 3D-Strukturen zu erzeugen.
Anlagenintegrierte Messung: Das Pulverdüsenmesssystem »LIsec« vermisst Pulverströmungen nach ihrem Austreten aus der Düse.
© gierig media / Ben Gierig
Anlagenintegrierte Messung: Das Pulverdüsenmesssystem »LIsec« vermisst Pulverströmungen nach ihrem Austreten aus der Düse.

»POWDERscreen« erfasst Pulverpartikel: Gesteigerte Prozessreproduzierbarkeit durch permanente Überwachung des Pulvermassestromes

Neben der Schutzgasabschirmung des Prozesses mit »COAXshield« und der Qualifizierung des Pulverkegels durch »LIsec«, ist es für einen stabilen und damit reproduzierbaren Prozess auch nötig alle Eingangsgrößen genau zu kennen und gegebenenfalls zu regeln. Besonders die kontinuierliche Messung der geförderten Pulvermenge stellte dabei bisher eine große Herausforderung dar. 

Der am Fraunhofer IWS entwickelte Sensor »POWDERscreen« detektiert genau, wann und wie viel der unterschiedlichen Partikel dem Schmelzbad zugeführt werden. Daraus lässt sich die geförderte Pulvermasse exakt berechnen. So ist es möglich Schwankungen des Partikelmassestroms zu erkennen und einem nachgelagerten Regler zu melden. Dies steigert nicht nur die Zuverlässigkeit des Prozesses deutlich, sondern ermöglicht es auch, gezielt mehrere unterschiedliche Pulver während des Schweißvorganges zu mischen. Eine zeitdiskrete Messung des Pulvermassestromes erhöht zudem den Digitalisierungsgrad des Prozesses deutlich und bietet Daten zur Erstellung eines digitalen Zwillings des erstellten Bauteils.

»LIsec« durchleuchtet den Pulverstrom: Ein Messsystem zur automatisierten Charakterisierung der Pulverdüse beim Laser-Pulver-Auftragschweißen

Während bei konventionell genutzten abtragenden Verfahren wie dem Fräsen das Einmessen der Werkzeuge dem Stand der Technik entspricht, stellt dies beim Laser-Pulver-Auftragschweißen noch eine große Herausforderung dar. Die Lösung des Fraunhofer IWS: »LIsec«. Ein Messlaser durchleuchtet den Pulverstrom nach Austritt aus der Düse. Im rechten Winkel dazu ist eine Kamera montiert, die Lichtschnitte durch das Pulver aufnimmt und an eine Analyse-Software weiterleitet. Daraus lässt sich hochpräzise die dreidimensionale Verteilung des Pulverstroms berechnen. Dies erlaubt eine deutlich vereinfachte Qualitätskontrolle und ermöglicht Rückschlüsse auf den Grad des Pulverdüsenverschleißes.

Nutzen lässt sich dies beispielsweise, um beschädigte oder verschlissene Turbinenschaufeln von Flugzeugen in höherer Qualität und zuverlässiger als bisher zu reparieren. Insofern kann das Messgerät zu mehr Sicherheit und geringeren Wartungskosten in der Luftfahrt beitragen. 

Additive Technologien für Medizin und Gesundheitsversorgung

Die additive Fertigung ist in der Gesundheitsversorgung der Zukunft eine Schlüsseltechnologie, da sie die Fertigung patientenindividueller Systemlösungen aus digitalen Modellen am point of need erlaubt. Das internationale Fraunhofer-Leistungszentrum für Additive Technologien für die Medizin und Gesundheitsversorgung bündelt das Know-how verschiedener Fraunhofer-Institute und polnischer Institute und ist somit zentraler Ansprechpartner in diesem Kompetenzfeld.

Das Leistungszentrum unterstützt unter anderem bei der Parameter- und Technologieentwicklung für die generative Fertigung medizinischer Komponenten oder Hilfsmittel sowie deren Charakterisierung.

Die Materialentwicklung und -verarbeitung ist ein zentrales Augenmerk des Leistungszentrums. Dazu gehören:

  • Biokompatible und biodegradierbare Werkstoffe
  • Antibakterielle und funktionalisierte Oberflächen
  • Verarbeitung faserverstärkter Materialien für Leichtbaulösungen
  • Integration textiler Halbzeuge zur Funktionserweiterung
  • Materialverarbeitung mit Shape-Memory-Effekt oder pseudoelastischen Eigenschaften

Ein Alleinstellungsmerkmal des Leistungszentrums ist die gesamtheitliche Technologieentwicklung, die auch additiv gefertigte Diagnostik-Lösungen umfasst. Dies umfasst unter anderem mikrophysiologische Systeme, die tierversuchsfreie in-vitro-Analysen ermöglichen, aber auch die Sensorikintegration zur erleichterten Erfassung von Gesundheitsdaten bspw. zur automatisierten und digitalisierten Überwachung von Genesungsprozessen.

Lab-on-chip-Systeme: In kürzester Zeit vom Prototyp zur Serienproduktion

Designregeln werden entwickelt und getestet, um die Produktion von funktionalen Geräten zu ermöglichen.
© ronaldbonss.com/Fraunhofer IWS
Designregeln werden entwickelt und getestet, um die Produktion von funktionalen Geräten zu ermöglichen.

Er wird täglich millionenfach auf der ganzen Welt eingesetzt: Als tragbares Miniaturlabor zeigt der Corona-Antigen-Schnelltest derzeit deutlich das Potenzial von Lab-on-Chip-Systemen. Die Analyse innerhalb kürzester Zeit ist vor allem im Pandemiefall von immenser Bedeutung. Immer mehr dieser medizinischen Miniatursysteme werden in der Diagnostik eingesetzt. Die Entwicklung und Herstellung von komplizierteren Testsystemen ist jedoch mit hohen Kosten verbunden. Im Forschungsprojekt SIMPLE-IVD entwickeln Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS gemeinsam mit mehreren Partnern neue Herstellungsverfahren und -methoden für eine kostengünstige Produktion von Schnelltestkassetten.

Partikelmonitoringsystem (PAmos)

PAmos bestimmt und überwacht die Feinstaubbelastung in technischen Anlagen, Prozessen und in Laboren.
© Fraunhofer IWS
PAmos bestimmt und überwacht die Feinstaubbelastung in technischen Anlagen, Prozessen und in Laboren.

Das kompakte Device »PAmos« bestimmt und überwacht die Feinstaubbelastung in technischen Anlagen, Prozessen und in Laboren. Die Monitoring-Lösung des Fraunhofer IWS lässt sich mit wenig Aufwand in die Arbeitsumgebung von Mitarbeitenden integrieren, wo es dazu beiträgt, Gesundheits- und Arbeitsschutzauflagen sicher einzuhalten.

Anwendung findet PAmos insbesondere in Trockenpulververfahren, in der additiven Fertigung, in Beschichtungs- und Entschichtungsverfahren, in Schweißprozessen, in der Laserbearbeitung sowie in der Batterieherstellung und -aufbereitung. Das Partikelmonitoringsystem detektiert Feinstaubpartikel der Klassen PM1.0, PM2.5, PM4 und PM10, misst die üblichen Luftwerte wie Temperatur, Druck und Feuchtigkeit und verfügt zusätzlich über einen Air-Quality-Sensor (AQI). Die Messwertübertragung erfolgt kabellos in Echtzeit und stellt das Messergebnis komfortabel ohne Zusatzinstallation in einem Browser dar. Die Vernetzung mehrerer Geräte ist ebenfalls möglich.

Sie haben Bedarf an Feinstaubmessungen? Gern nehmen wir Ihre Anfragen entgegen und passen unser System Ihren speziellen Anforderungen an. Gemeinsam entwickeln wir eine individuelle Lösung für Sie. Zusätzlich stehen wir Ihnen mit präziser Partikelmesstechnik zur Seite.

Neue Technologie-Entwicklungen im Laserschweißen

© Fraunhofer IWS

Dynamische Strahlformung für eine optimierte Laserbearbeitung

Moderne fasergebundene oder spiegeloptische Manipulationen des Laserstrahls – zur Anpassung der Intensitätsverteilung im Schweißbad – dominieren die jüngsten Entwicklungen zur Prozessstabilisierung und damit zur Qualitätsverbesserung. Vielfältige Anwendungsbeispiele finden sich z. B. in Batteriesystemen für die Elektromobilität. Insbesondere der Einsatz einer materialangepassten Strahlmanipulation für den Schweißprozess erscheint vielversprechend. Das Fraunhofer IWS entwickelt neue Möglichkeiten der hochdynamischen Strahlformung (englisch: Dynamic Beam Shaping, DBS) zur Vermeidung von Heißrissen in aushärtbaren Aluminiumlegierungen. Die hochdynamische Strahlformung stellt dabei ein hocheffizientes Verfahren zur Vermeidung der sonst notwendigen Zugabe von Schweißzusatzwerkstoffen dar. Darüber lassen sich mit dem intensitätsbasierten Ansatz erstmals metallurgische Grenzen beim Laserstrahlschweißen mit Remote-Optik überwinden.

Moderne Faserlasertechnologie – Schweißen von schwer schweißbaren Materialien

Neben modernen Scanneroptiken bieten neue fasergekoppelte Lasersysteme hervorragende Möglichkeiten für Laserschweißprozesse. Die zunehmende Elektrifizierung von Fahrzeugen erzeugt einen hohen Bedarf an flexiblen und effizienten Fügetechnologien für schwer schweißbare Werkstoffe wie Kupfer und Aluminium – insbesondere den Aluminiumdruckguss. Eine potenzielle Lösung ist das Laserschweißen mit überlagerter Strahloszillation, das eine Anpassung der Schweißbedingungen an die jeweiligen Anforderungen ermöglicht. Hochleistungslaser oder Strahlquellen mit kurzer Wellenlänge (z. B. 515 nm) erzielen zudem hohe Schweißnahtqualitäten auch auf stark reflektierenden Materialoberflächen. Daraus ergeben sich neue Verfahrensansätze zur Überwindung bestehender Prozessgrenzen beim Laserschweißen von Kupfer- und Aluminiumlegierungen.

 

Fügen von Festkörperlasern für den Stahlbau

Dr. Dirk Dittrich vom Fraunhofer IWS hat mit einem Team aus Forschung und Industrie ein leistungsfähiges Laserschweißverfahren entwickelt. Anhand eines lasergeschweißten Hallenkransegments zeigte das Team, dass das Verfahren im Stahlbau in erheblichem Maß Ressourcen einsparen kann.
© René Jungnickel/Fraunhofer IWS
Dr. Dirk Dittrich vom Fraunhofer IWS hat mit einem Team aus Forschung und Industrie ein leistungsfähiges Laserschweißverfahren entwickelt. Anhand eines lasergeschweißten Hallenkransegments zeigte das Team, dass das Verfahren im Stahlbau in erheblichem Maß Ressourcen einsparen kann.
Der Laserstrahl wird in die Fuge zwischen den beiden zu verschweißenden Blechkanten positioniert, und gleichzeitig wird davor ein Schweißzusatzwerkstoff hinzugefügt. Es entsteht eine qualitativ hochwertige Schweißnaht.
© Fraunhofer IWS
Der Laserstrahl wird in die Fuge zwischen den beiden zu verschweißenden Blechkanten positioniert, und gleichzeitig wird davor ein Schweißzusatzwerkstoff hinzugefügt. Es entsteht eine qualitativ hochwertige Schweißnaht.

Energie- und Ressourceneffizienz werden zunehmend wichtiger. Für den konventionellen Stahlbau hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS daher gemeinsam mit Partnern eine Alternative entwickelt, die nicht nur eine Prozesstechniklösung darstellt, sondern auch die Grundlage für Hardware- und Lasersicherheit bildet. Neben einer schonenderen Bearbeitung hochfester Werkstoffe werden deutlich verringerte Energieaufwendungen und Kosten bei gleichzeitig stark erhöhter Prozessgeschwindigkeit möglich. Verglichen mit konventionellen Fügeverfahren lässt sich der Energieeintrag ins Bauteil um bis zu 80 Prozent reduzieren. Das anschließende Richten des Bauteils entfällt sogar ganz.

In vielen technischen Bauwerken steckt ein Anwendungsbeispiel für den Stahlbau. Egal ob Containerschiffe, Schienenfahrzeuge, Brücken oder Windkrafttürme, in allen diesen Konstruktionen können mehrere 100 Meter Schweißnaht vorhanden sein. Üblicherweise kommen dafür konventionelle industrielle Verfahren wie das Metall-Aktivgas-Schweißen oder das Unterpulverschweißen zum Einsatz. Das Problem dabei: Durch die geringe Intensität des Lichtbogens fließt ein Großteil der aufgewendeten Energie nicht in den gewünschten Schweißprozess, sondern geht in Form von Wärme in das Bauteil verloren. Der Energiebedarf für die Nachbehandlung der Schweißnaht liegt vielfach in ähnlichen Größenordnungen wie derjenige für den eigentlichen Schweißprozess. »Diese energieintensiven Verfahren rufen eine erhebliche thermische Schädigung des Werkstoffs hervor und führen zu starken Verzugserscheinungen der Konstruktion – somit zu hohen Kosten durch nachträgliche Richtarbeit«, betont Dr. Dirk Dittrich, der am Fraunhofer IWS die Gruppe Laserstrahlschweißen leitet.

Datenschutz und Datenverarbeitung

Wir setzen zum Einbinden von Videos den Anbieter YouTube ein. Wie die meisten Websites verwendet YouTube Cookies, um Informationen über die Besucher ihrer Internetseite zu sammeln. Wenn Sie das Video starten, könnte dies Datenverarbeitungsvorgänge auslösen. Darauf haben wir keinen Einfluss. Weitere Informationen über Datenschutz bei YouTube finden Sie in deren Datenschutzerklärung unter: https://policies.google.com/privacy

Video

Joining with solid-state lasers – Get ready for the steel construction revolution

Finite-Elemente-Simulation – Auslegung lasergeschweißter Getriebe

FE-basierte Entwicklung von beanspruchungs- und verfahrensgerechten Getriebeteilen.
© Fraunhofer IWS
FE-basierte Entwicklung von beanspruchungs- und verfahrensgerechten Getriebeteilen.

Belastungsgerechtes Bauteildesign und innovativer Werkstoffeinsatz 

Das Laserstrahlschweißen im Getriebebau eröffnet vollständig neuartige Produktlösungen mit exzellenten Eigenschaften hinsichtlich Verschleiß, Korrosionsbeständigkeit und Lebensdauer. Die vorgestellten Getriebekomponenten basieren auf Multi-Material-Lösungen aus Einsatz- oder Nitrierstahl für Verzahnungen und korrosionsbeständigem Stahl für den Außenbereich. Die Funktionsintegration ermöglicht gegenüber aktuellen Lösungen signifikante Vorteile hinsichtlich Bauraum und Kosten. Die wesentliche Herausforderung besteht darin, sowohl die anspruchsvollen konstruktiven und schweißtechnischen Aufgaben zu lösen als auch die Ermüdungsfestigkeit der Verbindung für komplexe Getriebebelastungen abzusichern.

Die Auslegung verfolgt eine ganzheitliche, digitale Entwicklungs- und Fertigungsstrategie für Multi-Material-Luftfahrtgetriebekomponenten. Darin wird der Aufbau einer ganzheitlichen Kette aus Bauteilsimulation, adaptiven laserbasierten Fertigungstechnologien und mehrachsiger Ermüdungsfestigkeitsprüfung realisiert. Zunächst erfolgt dabei die Entwicklung eines beanspruchungs- und fertigungsgerechten Bauteildesigns, basierend auf strukturmechanischen Finite-Elemente-Simulationen (FE) und schweißprozessspezifischen Anforderungen. Die Realisierung der angepassten Laserstrahlschweißtechnologie wird durch begleitende Schweißsimulationen unterstützt, um Eigenspannungen und Verzug zu minimieren. Im letzten Schritt erfolgt die Absicherung der Bauteilermüdungsfestigkeit auf Basis von mehrachsigen Schwingfestigkeitsprüfungen an vereinfachten Prüfkörpern, die durch FE-basierte Berechnungskonzepte nach aktuellen Regelwerken ergänzt werden.

Durch die ganzheitliche Entwicklungsstrategie sind i. d. R. keine iterativen Konstruktionsänderungen erforderlich, woraus kurze Produktentwicklungszeiten resultieren. Die mehrachsige zyklische Prüfung an vereinfachten Prüfkörpern senkt maßgeblich die Prüfkosten und erhöht die Absicherungsgenauigkeit im Vergleich zu kostenintensiven Getriebeprüfständen. Hohe Verschleiß-, Korrosions- und Lebensdaueranforderungen an zukünftigen Getriebesystemen lassen sich mit der vorgestellten Entwicklungsstrategie demnach kosteneffizient und zuverlässig erfüllen.

Kontinuierliches Co-Konsolidieren faserverstärkter Hochleistungslaminate

Fortschrittliches Laser-in-situ-Fügen ermöglicht kontinuierliche Co-Konsolidierung von thermoplastischen, multidirektional verstärkten CFK-Laminaten und revolutioniert damit die Herstellung großer Flugzeugstrukturen.
© Fraunhofer IWS
Fortschrittliches Laser-in-situ-Fügen ermöglicht kontinuierliche Co-Konsolidierung von thermoplastischen, multidirektional verstärkten CFK-Laminaten und revolutioniert damit die Herstellung großer Flugzeugstrukturen.

Das automatisierte Fügen bereits konsolidierter faserverstärkter Hochleistungsthermoplast- laminate stellt bislang eine Herausforderung dar. Am Fraunhofer IWS wurde hierzu ein kontinuierlicher Fügeprozess zum Fügen bereits konsolidierter multidirektionaler Laminate aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) entwickelt.

Im Rahmen der Joint Technology Initiative »Clean Sky« durch die Fraunhofer-Gesellschaft und seine Institute sowie weiterer Industrie- und Forschungspartner wird ein »MultiFunctional Fuselage Demonstrator« aufgebaut. An diesem wird das Fügen zweier 8 m langer Flugzeugrumpf – Halbschalen unter Einsatz des Laser–in-situ–Prozesses demonstriert. 

Magnetpulsschweißen für kryogene Anwendungen

© ronaldbonss.com

Das Magnetpulsschweißen ermöglicht das stoffschlüssige Fügen von verschiedenartigen Metallen. Kupfer, Stahl und Aluminium lassen sich damit trotz ihrer unterschiedlichen Schmelztemperaturen vakuumdicht miteinander verbinden. Die Einsatztemperaturen liegen bei 1 K für den kryogenen Behälter bzw. 20 K bei der Verbindung zwischen Stahlbalg und Aluminiumrohren. Die Duktilität der Fügezone gewährleistet eine hohe Beanspruchbarkeit bei mechanischen und thermischen Wechsellasten.

Neue Möglichkeiten der Fügetechnik im Flugzeugbau – Beispiel Laserschweißen

Lasergeschweißte T-Verbindung mit Zusatzwerkstoffen
© Fraunhofer IWS
Lasergeschweißte T-Verbindung mit Zusatzwerkstoffen.

Das Laserstrahlschweißen ist seit langem beim Fügen von Passagierflugzeugen etabliert. Gegenstand der aktuellen Forschungsarbeiten ist der Nachweis des Potenzials der hochdynamischen Strahlmanipulation zur Vermeidung von Heißrissen bei den eingesetzten Aluminiumlegierungen. Die Ergebnisse aus Laborversuchen zeigen, dass in Abhängigkeit von der Fügegeometrie und der Al-Legierung typische Heißrissbildungen im Schweißgut nahezu vollständig unterdrückt werden können.

LAwave – Schnelle und zerstörungsfreie Schichtprüfung mit Laserakustik

Schnelle und zerstörungsfreie Charakterisierung von Oberflächen und Schichten für die Qualitätssicherung.
© Fraunhofer IWS
Schnelle und zerstörungsfreie Charakterisierung von Oberflächen und Schichten für die Qualitätssicherung.

Die laserakustische Oberflächenwellen-Spektroskopie ist eine schnelle und zerstörungsfreie Methode zur mechanischen Charakterisierung von Beschichtungen und Oberflächenzuständen, einschließlich des thermischen Spritzens und Laserauftragschweißens. Die Methode ist sensibel gegenüber allen Einflüssen, die den mechanischen Zusammenhalt beeinflussen und somit die Schallgeschwindigkeit verändern, so auch Poren, horizontale und laterale Risse. Über das Messen der effektiven elastischen Eigenschaften können so Informationen beispielsweise zu E-Modul, Bindefehlern, Rissen, Poren und Oxideinschlüssen gewonnen werden, aber je nach Fragestellung auch zu Materialzusammensetzung und Schichtdicke.

Die Methode wird einerseits für die zerstörungsfreie und industrielle Qualitätssicherung eingesetzt. Andererseits ist sie in Verbindung mit der Querschliffpräparation ein mächtiges Werkzeug für die Forschung und Entwicklung, da sie eine wahre mechanische Beurteilung der beobachteten Strukturen erlaubt.

Massenproduktion für Brennstoffzellen – automatisiert und kostengünstig

Effizientere Beschichtungsverfahren, wie z. B. Rolle-zu-Rolle, sollen die Skalierung der Brennstoffzellenherstellung auf die industrielle Massenproduktion ermöglichen
© Fraunhofer IWS
Effizientere Beschichtungsverfahren, wie z. B. Rolle-zu-Rolle, sollen die Skalierung der Brennstoffzellenherstellung auf die industrielle Massenproduktion ermöglichen
Das Dortmunder OberflächenCentrum DOC® hat eine neuartige Kohlenstoffbeschichtung entwickelt, die im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen erhebliche Kosteneinsparungen und Produktionsvorteile bietet.
© Fraunhofer IWS
Das Dortmunder OberflächenCentrum DOC® hat eine neuartige Kohlenstoffbeschichtung entwickelt, die im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen erhebliche Kosteneinsparungen und Produktionsvorteile bietet.
Das Projekt "miniBIP II - Metallische Bipolarplatten aus Bandprozessen zur Beschichtung und Umformung von Präzisionsband" wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter dem Förderkennzeichen 03ETB007B gefördert und vom Projektträger Jülich (PTJ) durchgeführt.
Das Projekt "miniBIP II - Metallische Bipolarplatten aus Bandprozessen zur Beschichtung und Umformung von Präzisionsband" wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter dem Förderkennzeichen 03ETB007B gefördert und vom Projektträger Jülich (PTJ) durchgeführt.

Für eine emissionsfreie Mobilität wird weltweit an zukunftsweisenden Technologien gearbeitet. Experten sehen dabei großes Potenzial in der wasserstoffbasierten Brennstoffzelle. Um die Technologie voranzubringen, gilt es, zwei Probleme zu lösen: die Skalierung der Fertigung hin zur industriellen Massenproduktion und ein Senken der Herstellungskosten. Dank umfangreicher Kompetenzen erarbeiten Forschende am Fraunhofer IWS aktuell Konzepte für die dafür notwendigen Fertigungsschritte.

Bei der Entwicklung stehen Werkstoffe und deren Kombinationen im Fokus, die eine hohe Lebensdauer mit höchster Performanz vereinen. Die Themen Beschichtung, das Fügen und das Schneiden der Komponenten bergen ebenfalls Chancen für Optimierung. »Wir wollen deshalb die jeweils besten Verfahren dafür finden«, sagt Dr. Teja Roch, Leiter der Projektgruppe im Dortmunder OberflächenCentrum DOC®.

Mögliche Option für ein höheres Produktionstempo sind effektivere Beschichtungsprozesse. Forschende des Fraunhofer IWS entwickeln deshalb Lösungen für ein kostengünstiges Beschichten am Band. Erstes Ergebnis ist eine neuartige Kohlenstoffbeschichtung, die ohne Probleme umgeformt werden kann. Zudem entstehen Anlagentechnik und Konzepte für das Fügen und Schneiden im Bandprozess. Ein Beispiel ist das patentierte spaltbasierte Fügen. Dabei wird der Laserstrahl direkt zwischen zwei Bleche geführt. Die sonst sichtbare Schweißnaht und Anforderungen an komplexe Spanntechnik entfallen. Eine weiter entwickelte und leistungsfähige Methode für das Schneiden ist das Laser-Remote-Cutting, bei dem ein Laser über eine Oberfläche gelenkt wird und lokal Material verdampft. Produktionstechnische Vorteile liegen hierbei insbesondere in der Verfahrenskombination und der Verwendung angepasster Optiken, Laserquellen und Messsensorik.

Effizientes Laserbearbeiten im Mikrometermaßstab

Forscher des Fraunhofer IWS übertragen das patentierte Laserinterferenzverfahren auf das Rolle-zu-Rolle-Prinzip. Das Ziel: Die 3D-Laserstrukturierung von Zellkomponenten soll die Leistungsfähigkeit und Kapazität von Batterien optimieren.
© ronaldbonss.com
Forscher des Fraunhofer IWS übertragen das patentierte Laserinterferenzverfahren auf das Rolle-zu-Rolle-Prinzip. Das Ziel: Die 3D-Laserstrukturierung von Zellkomponenten soll die Leistungsfähigkeit und Kapazität von Batterien optimieren.

Bessere Batterien dank DLIP auf neuer Rolle-zu-Rolle-Anlage

Mit »Direkter Laserinterferenzstrukturierung« (DLIP) lassen sich die Oberflächen von Stromableiterfolien in Batterien neu funktionalisieren: Die Interferenzmuster können die Reaktionsfläche erhöhen und die Haftfähigkeit der Metallfolien verbessern. Dadurch eröffnen sich für Batteriehersteller mehr Möglichkeiten, die Lebensdauer und Kapazität ihrer Energiespeicher und somit gleichzeitig die Reichweite von Elektroautos zu erhöhen.

Das Fraunhofer IWS und die Technische Universität Dresden haben diese Laserstrukturierung in den vergangenen Jahren stetig weiterentwickelt. In den Fokus rückt die Zielstellung, die Bearbeitungsgeschwindigkeit von DLIP-Anlagen zu erhöhen und ihren Formfaktor zu verringern. Darauf zielt auch das Projekt »Next-Gen-3DBat«, an dem unter Federführung des Projektträgers Jülich das Fraunhofer IWS, die Unternehmen Daimler und Varta sowie weitere Partner beteiligt sind. Durch die 3D-Laserstrukturierung von Zellkomponenten wollen sie die Leistung und Kapazität von Batterien verbessern.

Das Fraunhofer IWS überträgt dabei seine patentierte Laserinterferenzstrukturierung auf das Rolle-zu-Rolle-Prinzip. Die neue Anlage soll Stromableiterfolien kontinuierlich von Rollen abwickeln und strukturieren. Ziel ist es, im Vergleich zu Taktverfahren die Bearbeitungszeiten zu verkürzen. Die Projektpartner erwarten Durchsätze von etwa einem Quadratmeter pro Minute. Zudem lassen sich so die in der Industrie üblichen Bandrollen (»Coils«) weiterverarbeiten. Ein Prototyp ist betriebsfähig, eine verbesserte Anlage im Bau. Außerdem verfolgt das Fraunhofer IWS einen weiteren innovativen Ansatz: Eine Kombination mehrerer Strahlformungsmethoden optimiert den Laserstrahl, um ein hohes Aspektverhältnis und ein uniformes Interferenzmuster auf der Stromableiterfolie zu erzeugen. Dadurch vergrößert sich die mit jedem ultrakurzen Puls bearbeitete Fläche erheblich.

Mikrometergenaue Strukturen erzeugen funktionale Oberflächen

Gepulste Laser ermöglichen eine selektive Matrixentfernung an faserverstärkten Kunststoffen, um Verbunde zuverlässig im Spritzguss mit Kunststoff zu bilden.
© Fraunhofer IWS
Gepulste Laser ermöglichen eine selektive Matrixentfernung an faserverstärkten Kunststoffen, um Verbunde zuverlässig im Spritzguss mit Kunststoff zu bilden.

Im Bereich der Laser-Präzisionsbearbeitung liegt der Fokus auf dem mikrometergenauen Erzeugen von Strukturen in Bauteilen und deren Oberflächen zum Generieren definierter Funktionen. Hinsichtlich Werkstoff sind dem Laserverfahren dabei kaum Grenzen gesetzt. Neben dem hochpräzisen Schneiden und Bohren können auch Oberflächen texturiert werden, um deren Eigenschaften zu optimieren. Reibung und Verschleiß von Bauteilen und Werkzeugen können vorteilhaft hierdurch beeinflusst werden. Gekonnt strukturierte Oberflächen ermöglichen weiterhin festere Verbindungen im Interface von Multimaterialverbünden wie sie für den Leichtbau angewendet werden.

Laserstrukturierte Oberflächen für bessere Zellanhaftung

DLIP-Lasermodul zur Oberflächenfunktionalisierung von Implantatmaterialien
© Fraunhofer IWS
DLIP-Lasermodul zur Oberflächenfunktionalisierung von Implantatmaterialien
Laser-texturierte, additiv gefertigte Dentalschraube aus near-beta-Titan zur Erhöhung der Osseointegration
© Fraunhofer IWS
Laser-texturierte, additiv gefertigte Dentalschraube aus near-beta-Titan zur Erhöhung der Osseointegration

Medizinische Implantate werden aus biokompatiblen Materialien hergestellt, damit sie gut in lebenden Organismen einwachsen. Titan und seine Legierungen sind sehr häufig eingesetzte Werkstoffe und können mit modernen Techniken auch im 3D-Druck verarbeitet werden. 

Mit den am Fraunhofer IWS entwickelten DLIP-Lasermodulen (DLIP = direktes Laser-Interferenz-Strukturieren) konnten erstmalig auch additiv gefertigte Implantate bearbeitet werden, um die Anhaftung von Knochenzellen zu verbessern. Dabei wird ein einzelner Laserstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, die dann auf der Substratoberfläche überlagert werden, wo sie ein linienförmiges Interferenzmuster mit einer bestimmten räumlichen Periode bilden. Das Interferenzmuster wird direkt auf die Implantatoberfläche übertragen und die Oberfläche mit osteokonduktiven Mikrostrukturen ausgestattet. Die Laserbearbeitung der Implantatoberfläche benötigt keine Zusatzmaterialien wie Abrasivmittel oder Säuren zur Ausbildung der Oberflächengestalt. Sie ist damit besonders nachhaltig und kosteneffizient.

Im Vergleich zu einer gestaltgeätzten Oberfläche konnte in einer Zellstudie eine Erhöhung der Anzahl von Osteoblasten um bis zu 250 % auf DLIP bearbeiteten Oberflächen nachgewiesen werden. Die Laserbearbeitung trägt zusätzlich zu einer Verdickung der Oxidschicht und einer Veränderung des Benetzungsverhaltens bei.

Maßgeschneidertes und sekundenschnelles reaktives Fügen von Kunststoffen

Die Enden des umlaufenden Türgummis einer Autotür können mit RMS-Fügen sehr einfach und schnell verbunden werden.
© Fraunhofer IWS
Die Enden des umlaufenden Türgummis einer Autotür können mit RMS-Fügen sehr einfach und schnell verbunden werden.
Die Eigenschaften der Verbindung von (verschiedenen) thermoplastischen Kunststoffen werden an »Hutprofilen« bestimmt und optimiert.
© Fraunhofer IWS
Die Eigenschaften der Verbindung von (verschiedenen) thermoplastischen Kunststoffen werden an »Hutprofilen« bestimmt und optimiert.

Im Zuge des stetig zunehmenden Einsatzes leichter Werkstoffe und Bauweisen sowie immer weiterer Miniaturisierung wachsen die Anforderungen an die Fügetechnologien. Neben leichten Metallen und Verbundwerkstoffen wird vor allem in der Kunststoffindustrie ein großes Potenzial zur Gewichtseinsparung gesehen. Dabei müssen nicht nur Verbindungen von Kunststoffen untereinander, sondern auch Hybridverbindungen mit Werkstoffen aus anderen Klassen hergestellt werden.

Der Einsatz von sogenannten reaktiven Multischichtsystemen (RMS) als Wärmequelle zum Verbinden thermoplastischer Kunststoffe untereinander und zum Teil auch mit Metallen gestattet es, die Grenzen herkömmlicher Fügeverfahren, wie Kleben und Schweißen, ganz oder teilweise zu überwinden. Die RMS dienen dabei als interne Wärmequellen, die für den Anwendungsfall „maßgeschneidert“ werden können, um schädigungsarme Verbindungen in sehr kurzen Prozesszeiten herzustellen. Durch die innerhalb von Millisekunden direkt an der Fügestelle ablaufende und an die Kunststoffeigenschaften angepasste Energiefreisetzung werden unerwünschte Veränderungen der Werkstoffstruktur vermieden. Es werden Verbindungsfestigkeiten erreicht, die mit denen kommerziell eingesetzter Fügeverfahren vergleichbar sind und teilweise auch höher liegen, wobei ein besonderer Vorteil darin besteht, dass keine aufwändigen Vor- und Nachbehandlungen erforderlich sind. Zudem erreichen RMS gefügte thermoplastische Kunststoffverbindungen eine hohe Langzeitstabilität.

Neben der beschriebenen Anpassung der RMS-Verbindungstechnologie für das Kunststofffügen, ist die Anwendbarkeit des Verfahrens für Verbindungen von Keramiken, Metallen, Glas und Silizium am Fraunhofer IWS Dresden bereits demonstriert worden. Von besonderem Interesse für industrielle Anwendungen ist die Herstellung von Verbindungen zwischen Metallen und Kunststoffen. Mit der RMS-Technologie sind beim gegenwärtigen Entwicklungsstand feste Metall-Kunststoff-Verbindungen herstellbar, wenn eine Vorbehand-lung der Metalloberfläche erfolgt.

HSI für die flächige Oberflächen- und Dünnschichtprüfung

Bessere Spezialfolien sollen OLED, Solarzellen und Schaltkreise gegen Luftfeuchtigkeit und andere schädliche Umwelteinflüsse schützen, um sie robuster und somit langlebiger machen. Das Fraunhofer IWS hat die HSI weiterentwickelt, um selbst kleinste Defekte und geringste Abweichungen vom idealen Aufbau von Barrierefolien rasch zu erkennen und deren Wasserdampfdurchlässigkeit zu ermitteln.
© ronaldbonss.com
Spezialfolien sollen OLED, Solarzellen und Schaltkreise insbesondere gegen Luftfeuchtigkeit schützen, um sie robuster und somit langlebiger zu machen. Das Fraunhofer IWS hat die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) weiterentwickelt, um geringste Abweichungen einer Barrierefolien von ihrem idealen Aufbau schnell zu erkennen und deren Qualitätsparameter »Wasserdampfdurchlässigkeit« sogar in-line kontinuierlich zu überwachen.

Hyperspektrale Bildgebung (HSI)

Optische Sensorik kommt in einer Vielzahl unterschiedlicher Industriebranchen zum Einsatz – etwa um zu prüfen, ob Qualitätskriterien eingehalten werden. Eine sogenannte 100-Prozent-Inspektion ist mit herkömmlichen Technologien oft jedoch nicht möglich, obwohl in den betreffenden Industriezweigen Bedarf dafür besteht. Die hyperspektrale Bildgebung (Hyperspectral Imaging, kurz: HSI) verfügt über das Potenzial, die bestehende Lücke wirksam zu schließen.

Im Vergleich zu klassischen RGB-basierten Machine-Vision-Systemen detektieren Hyperspektralkameras deutlich mehr spektrale Bänder, um Zieleigenschaften zu messen. Unterschiedliche material- oder topologieseitig bedingte Oberflächenzustände äußern sich in einer spektralen Änderung des optischen Verhaltens des Probenabschnitts, sei es durch Absorption, Brechung oder Streuung. Die Hyperspektraltechnik ermöglicht es somit, ortsaufgelöst Oberflächeneigenschaften zu erkennen und mit hoher Geschwindigkeit kontinuierlich zu überwachen. HSI kann beispielsweise ortsaufgelöst die Dicke eines dielektrischen Films, Ölreste auf Metall- oder Kunststoffbändern oder den elektrischen Widerstand einer ITO-Schicht auf einem Glassubstrat bestimmen. Neben der lateralen Verteilung von Zieleigenschaften lassen sich aus der Gesamtheit aller HSI-Daten einer bestimmten Fläche auch globale Zielparameter dieser Fläche ableiten, wie etwa die Haftfestigkeit einer Oberfläche oder eine Qualitätsklassifikation nach den Parametern »i. o.« bzw. »n. i. o.«.

Die HSI-Systeme des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS können bestehende Technologielücken in der Produktionsüberwachung maßgeschneidert schließen:

Imanto® Obsidian 
Vollständig integriertes Laborsystem für die hyperspektrale Bildanalyse. Verunreinigungen, Schichtdicken, Materialveränderungen, Oberflächentopologien und vieles mehr können ortsaufgelöst sichtbar gemacht und objektiv bewertet werden.

Imanto® Pro 
Ein Software-Paket, das den gesamten Workflow der Hyperspektralinspektion abdeckt, von der Datenerfassung über die Datenvorverarbeitung bis hin zur Datenauswertung (Exploration, Klassifizierung und Regression).

Neuartige Lösungen zur Bewertung von Barrierefolien

HiBarSens® – Laserdiodenspektroskopie zur Detektion der Wasserdampfpermeationsrate
© Sempa Systems GmbH
HiBarSens® – Laserdiodenspektroskopie zur Detektion der Wasserdampfpermeationsrate

Die Arbeitsgruppe Optische Inspektionstechnik präsentiert neuartige Lösungen zur Bewertung von Barrierefolien. Barrierematerialien sind in der organischen Elektronik essentiell notwendig, um die empfindlichen Aktivschichten vor schädigenden atmosphärischen Gasen, insbesondere Wasserdampf und Sauerstoff, zu schützen und somit die Produktlebenszeit signifikant zu erhöhen.

Hyperspektrale Bildgebung (HSI)

Ein völlig neuartiger Ansatz zur Bewertung von Barrierefolien bietet der Einsatz der Hyperspektralen Bildgebung (HSI). Die Aufnahme eines umfangreichen Satzes an Spektren der Barrierefolie und deren KI-basierten Auswertung lässt die Bestimmung der Wasserdampftransmissionsrate (WVTR) innerhalb von Minuten anstatt wie bislang von Tagen zu. Das ermöglicht eine sehr schnelle Kontrolle von Barrierefolien »at-line« und sogar »inline« während ihrer Herstellung oder Verarbeitung. Darüber hinaus lässt sich auch die Permeationsrate von Barrierefolien ortsaufgelöst bestimmen. Dieses Konzept (HSI+KI) ist auf vielfältige Anwendungsgebiete übertragbar: z. B. auf eine kontinuierliche großflächige Schichtdickeninspektion, die Inspektion der Verteilungen von Materialparametern, auf das Defekt- und Verschmutzungsmonitoring und auf die Vorhersage von Leistungskennzahlen bspw. von Folien oder Halbzeugen. 

Simultane Bestimmung der Wasserdampfpermeationsrate (WVTR) und der Sauerstoffpermeationsrate (OTR) von Barrierefolien

Das Fraunhofer IWS stellt ein Messsystem aus der HiBarSens®-Reihe vor, das eine neue Klasse von Barrieremesssystemen definiert. Erstmals lassen sich die kritischen Barriereleistungskennzahlen Wasserdampftransmissionsrate (WVTR) und Sauerstofftransmissionsrat (OTR) einer Barrierefolie simultan messen. Das bedeutet einen deutlichen Informationsgewinn sowie genauere Ergebnisse, da beide Permeationsraten konzeptbedingt von exakt der gleichen Probenfläche unter identischen Messbedingungen ermittelt werden. Dabei entstehen jedoch keinerlei Kompromisse bei den Nachweisgrenzen (verglichen mit Einzelgeräte) von WVTR (10‑6 g m‑2 d‑1) und OTR (10‑3 cm3 m-2 d-1 bar-1).

Spezielle Lichtquellen für die optische Metrologie

Parametrisch steuerbare Multispektrale LED-Lichtquelle für Anwendungen in der Bildverarbeitung und optischen Messtechnik.
© Fraunhofer IWS
Parametrisch steuerbare Multispektrale LED-Lichtquelle für Anwendungen in der Bildverarbeitung und optischen Messtechnik.
Laser-Lichtquelle für Alignement und Bildakquiseaufgaben in der Halbleiterindustrie.
© Fraunhofer IWS
Laser-Lichtquelle für Alignement und Bildakquiseaufgaben in der Halbleiterindustrie.

Multispektrale LED-Lichtquelle

Wissenschaftler des Fraunhofer Anwendungszentrums für Optische Messtechnik und Oberflächentechnologien AZOM entwickelten gemeinsam mit dem Projektpartner Laser Electronic Components (LEC) eine spektral anpassbare, faserbasierte Lichtquelle für bildgebende industrielle Messsysteme. Diese ermöglicht die hyperspektrale Bildgebung mit konventionellen Kameras als Antwort auf die wachsenden Anforderungen an technische Lichtquellen. Diese gehen mit rasanten Entwicklungen in der Bildverarbeitung und bei optischen Messverfahren einher. Besonders gilt das für die multispektrale Mikroskopie und kompakte Spektralkameras. Deren Einsatzgebiete reichen von der Landwirtschaft über die Chirurgie, Lebensmittelsortierung und Inspektion bis hin zur Qualitätskontrolle – betroffen sind praktisch alle Anwendungen, bei denen die Farbe des Objekts eine zentrale Rolle spielt.

In der Prozesskontrolle und Qualitätssicherung kommen weitere Systeme der optischen Messtechnik und Bildverarbeitung zum Einsatz. Limitierende Faktoren für die Leistungsfähigkeit optischer Messsysteme sind die verfügbaren Sensorelemente und die eingesetzten Lichtquellen. Die Anpassung des spektralen Verlaufs, die schnelle Ansteuerung und der Wechsel der Wellenlänge sind entscheidend für die Funktionalität des gesamten Messsystems und des bildgebenden Verfahrens. Die Lösung von Fraunhofer AZOM und LEC verfügt über 40 einzeln ansteuerbare LED, die es dem Anwender in Kombination mit einer frei wählbaren Emissionsleistung der einzelnen Chips ermöglichen, das Gesamtspektrum an jede Gegebenheit anzupassen. Die LED lassen es zu, einzelne Lichtfarben zur Probenuntersuchung auszuwählen. Ebenso lässt sich das zeitliche Verhalten (Pulsdauer und Puls-zu-Puls-Abstand) in Grenzen frei definieren und in der Software programmieren sowie speichern. Die Lichtquelle stellt eine effiziente Lösung in der Qualitäts- und Prozesskontrolle dar.

Systemtechnik zum Laserauftragschweißen

Die COAXquattro lässt sich an industrietypische Robotersysteme anschließen und eröffnet dem drahtbasierten Laserauftragschweißen neue Perspektiven.
© ronaldbonss.com
Die COAXquattro lässt sich an industrietypische Robotersysteme anschließen und eröffnet dem drahtbasierten Laserauftragschweißen neue Perspektiven.
Vier Drähte führen simultan ins Zentrum des Laserstrahls und sorgen für attraktive Auftragraten.
© ronaldbonss.com
Vier Drähte führen simultan ins Zentrum des Laserstrahls und sorgen für attraktive Auftragraten.

COAXquattro erhöht Ressourceneffizienz beim Hochleistungslaserauftragschweißen

Eine neue Düse eröffnet dem drahtbasierten Laserauftragschweißen breitere Perspektiven im Automobilbau und in anderen Industriezweigen: Das COAXquattro-System des Fraunhofer IWS führt simultan vier Drähte ins Zentrum des Laserstrahls und verbessert die Auftragrate und die Energieeffizienz des Laser-Drahtauftragschweißen bei Beschichtungen, Reparaturen oder additiver Fertigung enorm. Derart ausgerüstete Anlagen erreichen Produktivitätsraten, die bisher lediglich dem pulverbasierten Laserauftragschweißen vorbehalten waren. Gleichzeitig reduziert das COAXquattro-System die Materialkosten, erhöht den Arbeitsschutz und verbessert die Umweltbilanz.

Angesichts sinkender Diodenlaser-Preise setzen immer mehr Unternehmen für die Beschichtung oder additive Fertigung komplexer Bauteile auf das Laserauftragschweißen. Dabei schmilzt die Anlage ein Pulver oder einen Draht aus einem Metall und erzeugt aus der Schmelze schichtweise die gewünschte Komponente. Draht wurde bisher vor allem für Reparaturen in Kleinserien eingesetzt. Für größere Produktionen bevorzugten die Anwender hingegen eher Pulver, weil damit bisher höhere Material-Auftragsraten (zum Beispiel etwa 18 Kilogramm pro Stunde für Inconel 625 mittels 20-kW Diodenlaser) möglich sind. Allerdings bergen Pulver erhöhte Arbeitsschutzrisiken: Manche von ihnen sind gesundheitsgefährlich, andere gar explosionsgefährdet.

Indem die neue Düse des Fraunhofer IWS vier Drähte auf einmal automatisch in den Laserstrahl führt, erreichen diese Auftragschweiß-Anlagen nun ebenfalls Auftragsraten von etwa 18 Kilogramm pro Stunde. Während pulverbasierte Anlagen jedoch maximal etwa 90 bis 95 Prozent des eingesetzten Materials tatsächlich nutzen, verwertet der neue Düsenkopf den zugeführten Draht zu 100 Prozent. Außerdem liegen die Kosten für Draht bei etwa 50 Prozent von Pulver aus dem gleichen Werkstoff, was sich positiv auf die Herstellungskosten auswirkt.

Leichtbauteile durch Thermisches Spritzen funktionalisieren

Datenschutz und Datenverarbeitung

Wir setzen zum Einbinden von Videos den Anbieter YouTube ein. Wie die meisten Websites verwendet YouTube Cookies, um Informationen über die Besucher ihrer Internetseite zu sammeln. Wenn Sie das Video starten, könnte dies Datenverarbeitungsvorgänge auslösen. Darauf haben wir keinen Einfluss. Weitere Informationen über Datenschutz bei YouTube finden Sie in deren Datenschutzerklärung unter: https://policies.google.com/privacy

Video: Funktionalisierung von faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffen durch Thermisches Spritzen

Am Fraunhofer IWS stehen unterschiedliche Leichtbauthemen im Fokus der Forschung. Das Thermische Spritzen kann zur anwendungsgerechten Funktionalisierung von Faserverbundkunststoffen verwendet werden. Dafür wird eine vom Fraunhofer IWS patentierte Oberflächenvorbereitung für das Thermische Spritzen verwendet.

Vorrausetzung für eine erfolgreiche Beschichtung ist eine ausreichende Rauheit, um die mechanische Verklammerung der schichtbildenden Spritzpartikel zu gewährleisten. Die Fraunhofer IWS Lösung adaptiert die Funktion des Abreißgewebes bei der Herstellung von FVK. Bei der Lamination wird das Abreißgewebe zusammen mit den Fasern vom flüssigen Harz getränkt und verbleibt auf der Bauteiloberfläche. Direkt vor der Beschichtung wird das Abreißgewebe entfernt, so dass keine aufwändige Reinigung der Oberfläche notwendig ist. Die Vorteile gegenüber alternativen Verfahren, wie Sandstrahlen oder mechanische Bearbeitung von Faserverbundkunststoffen, zur Einstellung einer geeigneten Oberflächenrauheit sind:

  • Abreißgewebe kann in die Bauteilfertigung mit geringsten Aufwand und Kosten integriert werden.
  • Das Abreißgewebe schützt die Oberfläche zwischen Herstellung und Beschichtung.
  • Für das Thermische Spritzen ist kein weiterer Vorbereitungsschritt, kein weiteres Verfahren notwendig: Abreisgewebe abziehen, ggf. Maskieren und Beschichten.
  • Das Leichtbauteil bleibt unbeschädigt, es werden keine Fasern durchtrennt, die Festigkeit bleibt erhalten.

Ein Beispiel zeigt die Funktionalisierung eines Winglets für Segelflugzeuge mit einem keramischen Heizschichtsystems, bestehend aus einem Aluminium Bond coat, einer Aluminium-Titanoxid-Isolationsschicht, einer vollflächigen Titansuboxid-Heizschicht und Kupferkontaktschichten zur elektrischen Kontaktierung. Alle Schichten wurden mittels Plasmaspritzen hergestellt.

Innovation »Liquid Spraying«

Systemkomplettlösung für die Integration in bestehende Kundenanlagen für APS- und HVOF-Verfahren.
© Fraunhofer IWS
Systemkomplettlösung für die Integration in bestehende Kundenanlagen für APS- und HVOF-Verfahren.

Das IWS hat mit dem Innovation »Liquid Spraying« die Verfahren des thermischen Spritzens angepasst, um aktuellen spezifischen Anforderungen an Oberflächenbeschichtungen gerecht zu werden. Es trägt damit dazu bei, die technologische Lücke bezüglich der Schichtdicke zwischen aufwendigen vakuumbasierten Dünnschichtverfahren und den bereits genannten Spritzverfahren zu schließen. Darüber hinaus erschließen neue Schichteigenschaften weitere Anwendungsfelder der Technologie. Bei der Entwicklung der Systemtechnik stand der industrielle Einsatz im Fokus. Erfolgreich wird die Systemkomplettlösung für die Integration in bestehende Kundenanlagen für APS- und HVOF-Verfahren vermarktet. Sie besteht aus einem Industrie 4.0ready Förderer mit der Möglichkeit zur Anlagenintegration und Injektoren für APS und HVOF für den flüssigen Spritzzusatz. Die im Vergleich zu Spritzpulvern werden feinere Partikel (500 nm bis 2 µm) in Suspensionen dem Prozess zugeführt oder im Falle der Precursoren aus der Lösung im Prozess nach der Injektion gebildet. Sich ergebende Vorteile sind:

  • Nanostrukturierte Schichtdicken unter 20 µm möglich,
  • Erhöhung der Wirtschaftlichkeit (Wirkungsgrad von 60-70 %, statt bisher 40-50 %),
  • Reduzierung der Nachbearbeitungskosten um bis zu 60 % durch geringer Oberflächenrauheit,
  • Verbesserung der Prozessstabilität und höhere Schichtqualität durch pulsfreie Injektion,
  • Gezielte Anpassung der Schichtporosität,
  • Schichtdicken, Morphologie und Eigenschaften der Beschichtungen sind über einen großen Anwendungsbereich variierbar,
  • Neben den Material können die Schichteigenschaften durch die Trägerflüssigkeit zielgerichtet beeinflusst werden,
  • Keine Staubbildung beim Befüllen des Förderers,
  • Neuartige Beschichtungen aus Keramiken, Metallen und Hartmetallen und mit der Systemtechnik vom IWS: In-situ Mischungen oder Endlosbetrieb bei der Beschichtung. 

Das IWS bietet praktische Anwendungen, die von Industriepartnern im Fertigungsprozess eingesetzt werden können. Diese entsprechen den besonderen Anforderungen bei möglichst geringem Aufwand.

Systemfamilie »COAX«

Für einen breiten industriellen Einsatz und hohe Flexibilität wurde die Ringspaltpulverdüse COAXpowerline als modulares Universalsystem mit integrierter Medienzufuhr für das Laser-Pulver-Auftragschweißen entwickelt.
© Fraunhofer IWS
Für einen breiten industriellen Einsatz und hohe Flexibilität wurde die Ringspaltpulverdüse COAXpowerline als modulares Universalsystem mit integrierter Medienzufuhr für das Laser-Pulver-Auftragschweißen entwickelt.

Linie modularer Bearbeitungsköpfe für das Laser-Auftragschweißen mit Pulver und Draht

Lasertechnische Beschichtungsverfahren spielen in der Luftfahrtindustrie längst eine Schlüsselrolle. Denn das lasergestützte Additive Manufacturing bietet die Möglichkeit, komplexe Bauteil-Geometrien zu realisieren, die Produktqualität zu erhöhen und sich von Wettbewerbern abzusetzen. Gefragt sind leistungsfähige Prozesse, Strahlwerkzeuge und Bearbeitungsköpfe, die unterschiedliche Werkstoffe metallurgisch verbinden oder Strukturen generieren. Mit ihnen lassen sich Oberflächen funktionalisieren, Bauteil-Designs nachträglich ändern oder langlebige Baugruppen reparieren, statt sie komplett auszutauschen.

Das entsprechende Werkzeug bietet die Systemfamilie »COAX«. Sie umfasst eine komplette Linie modularer Bearbeitungsköpfe für das Laser-Auftragschweißen mit Pulver und Draht. Dafür entwickelt das Fraunhofer IWS spezielle Beschichtungsköpfe, die den Werkstoff koaxial zum Laserstrahl der Bearbeitungsstelle zuführen und ein richtungsunabhängiges Schweißergebnis ermöglichen. Zum Einsatz kommen diese Systeme in gängigen Laseranlagen und hybriden Bearbeitungszentren für die Additive Fertigung. Speziell entwickelte Beschichtungseinheiten sind für den Einsatz unter extremen Bedingungen oder beengten Raumverhältnissen optimiert, andere für besonders feine Strukturen oder für hochwertige Werkstoffe wie Titan oder Hochentropie-Legierungen geeignet. 

Systemtechnik zum Laserstrahlhärten

Das kamerabasierte Temperaturerfassungssystem Emaqs wird 2022 erstmals im neuen Design und mit verbesserter Funktionalität präsentiert.
© Fraunhofer IWS
Das kamerabasierte Temperaturerfassungssystem Emaqs wird 2022 erstmals im neuen Design und mit verbesserter Funktionalität präsentiert.

Flexibilität – in der Werkzeugwahl, dem Verfahren und der Bauteilgeometrie: das bietet die Systemtechnik des Fraunhofer IWS.


Das dynamische Strahlformungssystem »LASSY« ermöglicht es, beim Härten flexibel auf verschiedenste Bauteilgeometrien reagieren zu können. Die 1D-Scanneroptik, erlaubt es, den Laserstrahl quer zur Behandlungsrichtung zu formen. Die Energieverteilung im Laserstrahlfleck passt sich durch Steuerung der Scangeschwindigkeit und/oder Nachführung der Laserleistung an nicht konstante Wärmeableitungsbedingungen an. Damit gelingt z. B. eine gleichmäßige Härtetiefe trotz lokal unterschiedlicher Bauteildicke. Anwendung findet diese Technologie in Laserrandschichtveredelungsverfahren wie Laserstrahlhärten, -umschmelzen oder -legieren. Die Systemintegration »Emaqs«, ein kamerabasiertes Temperaturerfassungssystem, das enorme Verbesserungen der Prozessregelung mit sich bringt, und das Temperaturregelsystem »LOMPOCpro« runden das Systemtechnikportfolio optimal ab.

Wärmefeldregler für die Laser-Oberflächenbearbeitung mit Scanner

Video: Laserhärten mit vollautomatischer LASSY-Wärmefeldregelung

Aufgrund seiner verfahrensspezifischen Vorteile ist das Laserhärten oft besonders effizient, um hochbelastete Bauteiloberflächen gegen hohe Flächenpressungen und Verschleiß zu schützen. Anwender schätzen die hohe Prozessgeschwindigkeit und Präzision, die gute Reproduzierbarkeit sowie den geringen Verzug der behandelten Bauteile. Entscheidend für die Umsetzbarkeit sind die Laserstrahlformung und Prozessregelung.

Wissenschaftler am Fraunhofer IWS entwickelten eine spezielle neue Variante der Wärmefeldregelung. Diese kombiniert die Temperaturmessung inklusive Pyrometer (»Efaqs«) und Wärmebildkamera (»Emaqs«) auf geeignete Weise mit einer hochfrequenten Pendelbewegung des Laserstrahls (Scanning). Damit lassen sich gleich mehrere Problemstellungen beim Laserhärten von geometrisch komplizierten Bauteilen lösen: Das Laserstrahlscanning ermöglicht es, die Härtezonenbreite flexibel einzustellen und bei Bedarf schnelle kontinuierliche Änderungen im laufenden Prozess vorzunehmen. Bereits damit erweitert sich das zu bearbeitende Bauteilspektrum erheblich. Gleichzeitig lässt sich durch die Veränderung der lokalen Scangeschwindigkeit die Laserintensität an die lokale Wärmeableitung punktgenau anpassen. Damit stellen Radien, Kanten oder sogar Bohrungen im Bearbeitungsbereich kein generelles Problem mehr dar. Aber erst durch die Hinzunahme einer ausreichend schnellen Leistungssteuerung lässt sich der Prozess soweit automatisieren, dass der Anlagenbediener praktisch keine manuellen Eingriffe mehr vornehmen muss.

Die Steuerung von Scanbewegung und Laserleistung erfolgt auf Basis der in Echtzeit erfassten Temperaturdaten. Dabei stehen grundsätzlich die Messwerte von Pyrometer und Wärmebildkamera zur Verfügung, die für bestimmte Teilaufgaben bei der Prozessregelung wichtig sind. Durch die Verknüpfung beider Messverfahren und verfügbaren Steuerungsgrößen lassen sich die verbleibenden Temperaturschwankungen soweit minimieren, dass an jeder Position im Bearbeitungsbereich das optimale Randhärteniveau erreicht wird.