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Neuer Ansatz steigert Effizienz der Prozessführung deutlich

Angesichts der hervorragenden Entfestigungsresultate, die speziell der Diodenlaser liefert, liegt es nun allerdings nahe, nach Wegen zu einer Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit zu suchen und so einen wirtschaftlichen Einsatz zu ermöglichen. Das Fraunhofer Institut für Lasertechnik und der Diodenlaserhersteller Laserline sind deshalb eine Forschungskooperation eingegangen, deren Ziel in der Entwicklung effizienterer Verfahren der laserinduzierten Entfestigung besteht. Im Rahmen dieser Kooperation konnte mittlerweile eine Bestrahlungstechnik entwickelt werden, die deutlich höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten ermöglicht. Der Lösungsansatz ist dabei verblüffend einfach: Während das zu entfestigende Blech oder Bauteil bei lasergestützten Wärmebehandlungen bisher nur von einer Seite bestrahlt wurde, realisieren das Fraunhofer ILT und Laserline eine zweiseitige Bestrahlung. Die Strecke des Wärmeflusses wird dadurch halbiert, mit dem Ergebnis, dass auch bei weit höheren Bearbeitungsgeschwindigkeiten eine homogene Wärmeverteilung sowie ein niedriger Temperaturgradient garantiert sind. Bei der Entfestigung hochfester Stähle mit marktüblichen Festigkeiten von 1200 bzw. 1500 MPa wurden so in mehreren Versuchsreihen mit Laserline-Diodenlasern vom Typ «LDF12000-100» (12 kW) sowie «LDF16000-100» (16 kW) bereits konstante Bearbeitungsgeschwindigkeiten von 15 Metern pro Minute erreicht. Mit leistungsstärkeren Diodenlasern wären überdies sogar Vorschubgeschwindigkeiten von 20 Metern pro Minute realistisch, wie sie bislang nur im Laserschneiden erreicht werden konnten. Die lasertechnischen Voraussetzungen hierfür sind gegeben: Laserline-Diodenlaser zum Beispiel sind bereits heute mit Leistungen von bis zu 20 kW verfügbar, bei Prototypen wurden sogar schon Laserleistungen von 50 kW realisiert.

Variable Spotgrössen

Die Entfestigung mit Hilfe von Diodenlasern ist aber nicht allein aufgrund des innovativen Bestrahlungsansatzes und der Leistungsfähigkeit der Laser als zukunftsfähige Technologie anzusehen. Denn da die Geschwindigkeit der Blechbearbeitung immer auch von der Grösse der zeitgleich bestrahlten Fläche abhängt, ist es bei lasergestützten Entfestigungsprozessen von grosser Bedeutung, die Spotgrösse des Lasers variieren zu können. Vor allem die Option, feste Spotbreiten mit grossen, flexibel zu gestaltenden Spotlängen zu kombinieren, ist für eine erfolgreiche Prozessführung entscheidend. Diodenlaser bieten auch hier viele Möglichkeiten: Die Laserline-Strahlquellen beispielsweise können optional mit einem Zoom-Homogenisator mit bidirektionaler Homogenisierung ausgestattet werden, der wahlweise quadratische, rechteckige oder lineare Brennflächen verschiedenster Längen und Breiten erzeugt. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit von 15 Metern pro Minute etwa wurde im Fraunhofer ILT mit einer Spotgrösse von 5 x 25 mm² erzielt. Ausgereizt ist das Leistungsspektrum damit freilich auch hier nicht. Denn die Zoom-Homogenisatoren der Laserline-Diodenlaser bieten bereits serienmässig Spotlängen von bis zu 80 Millimetern, zudem sind auch Sonderlösungen mit noch einmal deutlich grösserer Spotlänge möglich. Darüber hinaus übernehmen die Zoom-Homogenisatoren eine wichtige Rolle bei der Temperaturüberwachung des Prozesses: Ein integriertes Pyrometer gewährleistet eine kontinuierliche und zuverlässige Überprüfung der Bestrahlungstemperatur und stellt sicher, dass die vorgegebenen Parameter konsequent eingehalten werden. Die Gefahr einer unkontrollierten Wärmeeinwirkung ist damit von vorneherein ausgeschlossen.

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Fazit

Nimmt man die beschriebenen Vorteile zusammen, so spricht mittlerweile nur noch wenig gegen einen Einsatz des Diodenlasers in der Serienfertigung. Optimierungsbedarf sehen das Fraunhofer ILT und Laserline derzeit noch in puncto Intensitätsverteilung: Im Interesse einer besseren Wärmeübertragung sollen alternative Verteilungen noch weiter untersucht werden. Die entsprechenden Versuchsreihen werden jedoch zeitnah abgeschlossen sein, sodass die Serienreife der neuen Technologie bereits in Sichtweite ist. Karosseriebauer, aber auch andere Stahlverarbeiter können damit in naher Zukunft auf ein vielversprechendes Verfahren zurückgreifen, das bei exzellenten Entfestigungsresultaten eine hocheffiziente und damit uneingeschränkt wirtschaftliche Prozessführung verspricht. SMM

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