HIGHTECHREPORT - Daimler

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Konstruieren: Die schmalen Laserschweißnähte
ermöglichen kompakte Bauweisen.
plification by Stimulated Emission of Radiation“) hat der in Ulm geborene
Albert Einstein zwar bereits 1917 beschrieben, doch erst 1960 baute der
US-amerikanische Physiker Theodor H. Maiman mit seinem „Rubinlaser“
das erste funktionierende Gerät. Der Laser, lästerten damals Spötter, sei
eine Erfindung auf der Suche nach einer Anwendung.
Doch davon kann mittlerweile keine Rede mehr sein – Laser sind heute
fester Bestandteil der industrialisierten Welt. Als laseraktive Materialien
eignen sich nicht nur Festkörper wie dotierte Kristalle (z.B. Nd:YAG)
und Halbleiter (Dioden), sondern auch Gase und Flüssigkeiten. Je nach
Ausgangsmaterial liegt die Wellenlänge der Laserstrahlen im sichtbaren
Bereich, aber auch im Ultraviolett-, Infrarot- und Millimeterbereich.
Der große Vorteil der gebündelten Laserstrahlen ist, dass sich ihre
Intensität exakt dosieren lässt. Zudem kann man sie zeitlich und räumlich
sehr präzise steuern und ihre Energie punktgenau dort einsetzen, wo man
sie braucht. Deshalb reichen die Einsatzgebiete inzwischen vom CD-Player
im Wohnzimmer und dem Scanner an der Supermarktkasse über medizinische
Laser für Augenoperationen bis zum Einsatz in der Industrie als
universelles Schneid-, Bohr-, Schweiß- und Beschriftungswerkzeug.
Mitte der 1980er-Jahre brachte die Einführung des Laserlichtkabels
einen enormen Aufschwung für industrielle Anwendungen. „Heute kann
man davon ausgehen, dass sich in den kommenden Jahren die Hightech-
Lasersysteme in der Produktion stark ausbreiten werden; Experten rechnen
mit zweistelligen Zuwachsraten für den Lasermaschinenmarkt“, erläutert
Klaus-Dieter Debschütz, Leiter der Abteilung Fahrzeugaufbau im
DaimlerChrysler-Ressort Konzernforschung und Mercedes Car Group
Entwicklung. (siehe Kasten: Laser – ein prosperierender Markt, S. 30).
> Auf kleinen Brennfleck fokussieren
Laserstrahlen breiten sich nahezu parallel aus und lassen sich durch eine
geeignete Optik sehr gut fokussieren – das heißt, die gesamte Energie des
Laserstrahls kann auf eine sehr kleine Fläche gelenkt werden. Fokussiert
man zum Beispiel den bei RobScan eingesetzten Hochleistungslaser mit
einer Leistung von vier Kilowatt auf einen Brennfleck mit einem Durchmesser
von 0,6 Millimetern, beträgt dort die mittlere Intensität zwei
Megawatt pro Quadratzentimeter. Im Vergleich dazu liegt eine elektrische
Kochplatte bei etwa fünf Watt pro Quadratzentimeter – die Intensität des
Lasers ist also 400000-mal höher.
Weil der Laserstrahl das Material nur genau an der Fügestelle aufschmilzt
und dieses extrem schnell geschieht, bringt der Laser insgesamt
sehr viel weniger Energie in das Bauteil als herkömmliche Verfahren wie
> Ein Lichtstrahl, viele Einsatzgebiete
Laser sind nicht nur ein universelles Schweißwerkzeug, das in der Regel keine Nachbearbeitung
mehr erfordert. In der Industrie dienen sie auch als exakte, schnelle und
kostengünstige Bohr-, Schneid- und Beschriftungswerkzeuge. Von großer Bedeutung
ist die Oberflächenbearbeitung. So können heutige Lasersysteme besonders beanspruchte
Bauteile gezielt mit Hartstoffen beschichten. Verschiedene Stahlwerkstoffe
lassen sich härten, indem die Laserstrahlen einen begrenzten Bereich schlagartig erhitzen,
der dann durch schnelles Abfließen der Wärme ins Bauteilinnere hart wird.
zum Beispiel das Lichtbogen- oder Schutzgasschweißen. Je weniger
Wärme in ein Werkstück eingebracht wird, desto weniger verzieht es
sich – und der Aufwand für die notwendigen Richt- und Nacharbeiten
geht entsprechend zurück.
> Kompakte Getriebe schweißen
Die Möglichkeiten des Lasers für die industrielle Fertigung von Motoren
und Getrieben hat DaimlerChrysler schon frühzeitig zu nutzen begonnen.
„Die erste Strahlquelle, ein CO 2 -Laser, kam bereits 1981 im
Bereich Verfahrensentwicklung in Untertürkheim zum Einsatz; und
1983 erfolgte mit dem Laserschweißen von Tassenstößeln die erste
Serienapplikation“, weiß Christian Elsner von der Produktions- und
Werkstofftechnik (PWT). „Heute gibt es Laser-Applikationszentren für
den Karosseriebau im Werk Sindelfingen und für den Powertrain, also
den Antriebsstrang aus Motor, Getriebe und Achsen, in Untertürkheim.
Dort erproben wir Lasertechnologien, machen sie fit für den Einsatz
in der Serienfertigung und betreuen danach auch die Umsetzung
in den Werken. Das Laserlabor im Forschungszentrum Ulm liefert dazu
die Grundlagenuntersuchungen.“
Vorteile bieten Laser nicht nur für die Produktion, sondern auch für
die Konstruktion von Getrieben. Weil die Laserschweißnähte sehr
schmal, aber trotzdem hoch belastbar sind und auch höchste Drehmomente
zuverlässig übertragen, erlauben sie den Konstrukteuren sehr
kompakte Bauweisen, die sich mit herkömmlichen Schweißnähten
nicht realisieren lassen. Schon seit einigen Jahren baut DaimlerChrysler
diese Technologie daher als Fügeverfahren im Getriebebau immer
weiter aus und ist inzwischen Benchmark auf diesem Gebiet. Mittlerweile
kommen lasergeschweißte Verbindungen bei allen Mercedes-
Pkw-Getrieben zum Einsatz.
Den Stand der Technik markiert derzeit das von DaimlerChrysler
entwickelte Automatikgetriebe 7G-Tronic, dessen Laser-Schweißnähte
es auf eine Gesamtlänge von 280 Zentimetern bringen und bei dem
nur noch Laser als Schweißverfahren eingesetzt wird. Weil der Laserstrahl
die Bauteile insgesamt ja nur wenig erwärmt, verziehen sich die
Zahnräder und Wellen praktisch nicht und sind nach dem Schweißen
sofort einbaufertig. Die hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten von
mehreren Metern pro Minute erlauben zudem hohe Produktionszahlen.
Allein das Mercedes-Benz-Werk Stuttgart-Hedelfingen fertigt mithilfe
moderner Laseranlagen täglich zirka fünftausend 5- und 7-Gang-
Automatikgetriebe.