Leichtbau: Laserlicht meistert neue Herausforderungen

Laser machen viele Füge- und Schneidprozesse erst möglich. Dank neuer Technologien lassen sich beispielsweis Bauteile aus Metall mit Hohlraumstrukturen fertigen, die deutlich leichter aber genauso stabil wie massive Bauteile sind. Zudem können mit Lasern verschiedene Leichtbauwerkstoffe und Stähle miteinander kombiniert werden. Entsprechende Lösungen hat das Aachener Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt.

150624 Leichtbau
LKW-Sitz in Leichtbauweise mit einer Gewichtseinsparung von bis zu zwanzig Kilogramm, unter anderem durch den am Fraunhofer ILT entwickelten Sitzträger aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Foto: Fraunhofer ILT

Leichtbaumaterialien sind beliebt. Aluminium zum Beispiel wird in den Karosserien von Autos verbaut und Flugzeugrümpfe bestehen bereits zu einem guten Teil aus leichten Kohlefaserverbundwerkstoffen. Noch aber sind die Leichtbautechnologien lange nicht ausgereizt. Durch neue Herstellungs- oder Verarbeitungsverfahren können Fertigungsprozesse noch schneller und die Materialien noch leichter und widerstandsfähiger gemacht werden. Dass dazu Lasertechnologien in besonderer Weise beitragen können, zeigte das Aachener Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT während der Messe Laser World of Photonics gleich mit mehreren Exponaten. Das auffälligste Ausstellungstück waren zwei Meter hohe Lettern, die den Schriftzug „light“ bilden. Die Buchstaben bestehen aus einer komplex geformten luftigen Gitterstruktur. So wie dieses per 3D-Druck hergestellte Sonderexponat aus Kunststoff entwickelt und fertigt das Fraunhofer ILT mit seinen Industrie-Kunden metallische Bauteile, die durch eine Innenstruktur gewichtsoptimiert sind. Auch maßgeschneiderte und individuelle Bauteile und Werkzeuge lassen sich per 3D-Druck zu wirtschaftlich vertretbaren Kosten produzieren. Der Schriftzug symbolisiert auf der Messe eindrucksvoll, wie leicht stabile Strukturen sein können.

Leicht und stabil dank Selective Laser Melting


Die Spezialität der Forscher ist die Herstellung von Metallbauteilen mit vergleichbaren Leichtbaustrukturen. Dafür kommt am Fraunhofer ILT das in den vergangenen Jahren weiterentwickelte Selective Laser Melting-Verfahren (SLM) zum Einsatz, das in seinen Grundzügen dem 3D-Druck ähnelt. Dabei wird Pulver mit einem Laserstrahl gemäß CAD-Daten punktgenau aufgeschmolzen und zu wenige Mikrometer dünnen Schichten ausgehärtet. Schicht für Schicht wächst dann ein Bauteil in die Höhe. So haben die Forscher per SLM-Verfahren unter anderem einen sehr leichten und stabilen Querlenkerträger für einen Sportwagen entwickelt, an dem die Räder einzeln aufgehängt sind. Auch dieser Querlenkerträger birgt im Innern eine Hohlstruktur. Damit ist er zugleich leichter und stabiler als gegossene oder spanend bearbeitete Bauteile. Ohne SLM-Verfahren ließe sich eine so komplexe Hohlstruktur nicht realisieren.

Kleben ohne Kleber


Bauteile oder Fahrzeuge immer leichter zu machen, ist eine Herausforderung, denn die Gewichtsersparnis darf nicht zu Lasten der Stabilität gehen. Im Leichtbau werden heute deshalb oft verschiedene Werkstoffe miteinander kombiniert, die für verschiedene Anwendungszwecke jeweils am besten geeignet sind – Aluminium oder faserverstärkte Kunststoffe (FVK). Da die Stabilität von FVK leidet, wenn man sie mit anderen Bauteilen verschraubt, werden die verschiedenen Materialien heute meist miteinander verklebt. Doch mit dem Klebstoff benötigt man einen dritten Werkstoff, der zudem altern und brüchig werden kann. Wegen dieser Nachteile beim Fügen von FVK und Metall setzen die ILT-Wissenschaftler auf laserbasierte Bearbeitungsverfahren. In diesem Falle brennen sie mit dem Laser in die Oberfläche des Metallbauteils ein hundert Mikrometer feines Muster mit kleinen Vertiefungen und Hinterschneidungen. „Beim Zusammenfügen von Metall und FVK fließt dann der noch heiße und flüssige Kunststoff in die Vertiefungen hinein“, erklärt ILT-Laserexperte Dr. Alexander Olowinsky. „Härtet der Kunststoff aus, verkrallt er sich in der Metalloberfläche.“

Verschiedene Stähle kombiniert


Nicht nur FVK und Metall werden heute mehr und mehr miteinander kombiniert, sondern – je nach Anwendung – auch verschiedene Stahlsorten. Um Gewicht zu reduzieren, setzen Autohersteller heute unter anderem pressgehärtete, hochfeste Stähle ein. Diese sind besonders stabil, so dass dünnere Bleche verwendet werden können, was wiederum Gewicht spart. Allerdings sind diese Materialien teuer. In einem Auto werden deshalb herkömmliche Stähle und pressgehärtete, hochfeste Stähle miteinander verschweißt. Die üblichen Verfahren wie das Punktschweißen führen aber dazu, dass die Festigkeit der hochfesten Stähle an der Schweißstelle nachlässt. In einem Kooperationsprojekt entwickelte das Fraunhofer ILT mit mehreren Industrieunternehmen deshalb ein alternatives Schweißverfahren, das die Crashstabilität der hochfesten Stähle nicht beeinträchtigt.

Letzte Aktualisierung: 19.07.2017