Multi-Remote-Anlage zur effizienten Großflächenvorbehandlung

Im globalen Umfeld hinsichtlich Leichtbaus mit unterschiedlichen Werkstoffen besteht ein steigender Bedarf an flexiblen Herstellungs- und Bearbeitungstechnologien für blechförmige Halbzeuge, die effiziente Lösungen vor allem im Bereich Automotive und Luftfahrt ermöglichen. Dies erfordert insbesondere die Entwicklung und Erprobung von flexiblen Anlagenkonzepten für unterschiedliche Bearbeitungstechnologien wie Schweißen, Schneiden, Abtragen und Strukturieren. Werkstoffseitig sollten diese Prozesse und Verfahren für Metall, Kunststoffe und Textilien anwendbar sein. Unter diesen genannten Bedingungen sind Laser-Remote-Bearbeitungsverfahren mit auf Werkstoff und Absorption angepassten Strahlquellen ein erfolgversprechender Lösungsansatz. Die Verfügbarkeit hochbrillanter cw-Strahlquellen verschiedener Wellenlängen eröffnen für Remote-Anwendungen neue Möglichkeiten.

Trotz der sehr hohen Strahlqualitäten bleiben die Arbeitsfelder der Scanner jedoch limitiert. Arbeitsfelderweiterungen lassen sich durch die Kombination von Scanner und kartesischen Bewegungssystemen realisieren. In Anwendung befindliche Lösungen der zweidimensionalen on-the-fly Kopplung von Scanner und Achssystem können das Potenzial einer optimierten Achsüberlagerung aufzeigen. Die Kombination von Großfeldscannern mit hochdynamischen Spindelantrieben verspricht hier gute Fertigungspräzision bei gleichzeitig hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Zielstellung war es daher, die system- und verfahrenstechnischen Potenziale mit Hilfe einer Prototypen-Laser-Anlage für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von ebenen, mäßig geformten, blechförmigen und textilen Halbzeugen aus Verbundwerkstoffen, Metallen und Kunststoffen unter Nutzung der Remote-Technologie mit cw- Hochleistungslasern unterschiedlicher Wellenlänge für industrielle Interessenten zugänglich zu machen.

Lösung

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

Es erfolgte gemeinsam mit Partnern die Konzeption der einzusetzenden Mechanik sowie die Auslegung der erforderlichen Antriebs- und Optikkomponenten. Das Anlagenkonzept basiert auf einer Einständerbauweise mit verfahrbarem Z-Achsträger, der eine Optikplattform trägt. Grundprinzip ist eine im Prozess feststehende Scannereinheit und die on-the-fly Kopplung mit einer hochdynamischen XY-Verfahreinheit zur Materialbewegung. Hinzu kommen unterschiedliche Laserstrahlquellen und Atmosphärendruckplasma - Equipment.

Um die sichere Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen wie CFK zu gewährleisten, sind sowohl die Laser als auch die elektrischen Komponenten des Maschinenachssystems staubdicht gekapselt. Eine an den Arbeitsabstand anpassbare Absaugkammer entfernt die Abprodukte effizient aus dem Arbeitsraum, welche dann durch spezielle Filtertechnik abgeschieden werden.

Für die hochdynamische Ansteuerung der Antriebseinheit und die Kopplung mit den Scannersystemen wurde eine flexible Steuerungsstruktur konzipiert, die eine bedienerfreundliche Programmierung aller Komponenten sowie die Einbindung von Sensoreinheiten ermöglicht.

Ergebnisse

Die mit der Prototypenanlage abbildbaren cw-Remote-Prozesse werden im Multimaterial-Leichtbau beim thermischen Direktfügen von Metall mit thermoplastischen Faserkunststoffverbunden vorteilhaft eingesetzt. So ermöglicht die Laser-Makrostrukturierung mit einem Faserlaser eine flexible Vorbehandlung der metallischen Fügepartner. Im eigentlichen Fügeschritt werden die im Überlapp zueinander fixierten Teile durch eine rückseitige laserinduzierte Aufheizung des metallischen Fügepartners und darauf folgende Wärmeleitung in die Grenzfläche Metall-Thermoplast stoffschlüssig verbunden.

Sollen Hybridlaminate aus Metall mit Thermoplasten oder Organoblechen im Conti-Prozess hergestellt werden, so erfolgt die Lasererwärmung direkt im Fügespalt zwischen beiden Halbzeugen. Der lokal aufgeschmolzene Thermoplast wird durch ein Walzenpaar flächig mit dem Metall verbunden. Durch den Einsatz der Remote-Technologie mit integrierter scannerpositionsabhängiger Laserleistungssteuerung können bis zu 0,5 m breite Halbzeuge gefügt werden.

Zur Oberflächenaktivierung und Feinreinigung von Kunststoffoberflächen eignen sich Atmosphärendruck-Plasmaquellen. Sie werden in den Optikaufbau der Anlage integriert und ermöglichen durch eine überlagerte Rotationsbewegung Behandlungsraten von typischerweise 100 cm²/min (Annahme: eine Doppelrotationsdüse, 10 cm Behandlungsbreite, 10 m/min Verfahrgeschwindigkeit.

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