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Presseinformation
Aachen,
13. Mai 2011
Mit Licht auf der Überholspur
Energiesparen steht heute ganz oben auf der Prioritätenliste der Fahrzeughersteller. Die
Lasertechnik hilft dieses Ziel zu erreichen: Mit Licht lassen sich dünne und leichte
Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen verarbeiten, Motoren effektiver und Batterien
leistungsfähiger machen. Auf der Messe Laser 2011 vom 23. bis 26. Mai präsentieren
Fraunhofer-Forscher neue Produktions-Technologien in Halle C2, Stand 330 und Halle
B2, Stand 417.
Die Ära der Schluckspechte, die durch die Straßen knatterten und die Luft verpesteten,
ist vorbei. Die Fahrzeuge, die heute vom Band rollen, sind sauberer, leiser und –
bezogen auf ihr Leistungsgewicht – sparsamer als je zuvor. Doch die Entwicklung geht
weiter: Immer schärfere Umweltgesetze und immer weiter steigende Kraftstoffpreise
erhöhen die Nachfrage nach noch umweltfreundlicheren Modellen. Die Kundenwünsche
zu erfüllen, ist für die Hersteller oft nicht einfach: Die Karosserien sollen sicher aber
dennoch leicht sein, die Motoren langlebig und gleichzeitig energiesparend. Jahr für
Jahr müssen neue Modelle entwickelt und realisiert werden, die noch besser, noch
sparsamer, noch intelligenter sind.
Der Wettlauf gegen die Zeit und die Konkurrenz stellen hohe Anforderungen an die
Hersteller und ihre Zulieferer. Laser können helfen, ihn zu gewinnen. Licht ist ein ideales
Werkzeug für den Fahrzeugbau: Es ist verschleißfrei und universell einsetzbar. Man kann
damit Materialien aller Art schweißen, bohren, strukturieren, schneiden oder formen.
Oberflächen lassen sich so gestalten, dass im Motor und im Antriebsstrang weniger
Reibung erzeugt und weniger Kraftstoff verbraucht wird. Laser sind damit nicht nur ein
entscheidender Schlüssel zu einer schnellen, effektiven und ökonomischen Produktion,
sondern auch zu sparsamen Fahrzeugen. Auf der Messe Laser 2011 zeigen FraunhoferForscher wie man mit Licht Zeit, Geld und Energie sparen kann.
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Marketing und Kommunikation
Dipl.-Phys. Axel Bauer
Steinbachstraße 15
52074 Aachen
Telefon 0241 8906-194
Fax 0241 8906-121
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Überflüssige Pfunde im Fahrzeugbau kosten Energie, denn sie müssen – ein ganzes
Autoleben lang – bei jeder Fahrt mit beschleunigt und auch wieder mit abgebremst
werden. Um Gewicht zu sparen, setzen die Hersteller zunehmend faserverstärkte
Kunststoffe ein, die 30 bis 50 Prozent leichter sind als Blech. Der Nachteil: Die
Verarbeitung der neuen Werkstoffe ist mühsam. Faserverstärkte Kunststoffe sind spröde,
Schneide- und Bohrwerkzeuge verschleißen daher schnell und die konventionelle
Montagetechnik für Blechbauteile ist häufig nicht einsetzbar. »Hier ist der Laser eine
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ideale Alternative«, erläutert Dr. Arnold Gillner vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik
ILT in Aachen. »Der Laser kann faserverstärkten Kunststoff verschleißfrei schneiden,
aber auch verbinden. Mit geeigneten Lasern können wir Bauteile mit einem Minimum an
thermischer Beeinflussung schneiden und abtragen. Auch zum Schweißen von
Leichtbauteilen sind Laser geeignet – eine echte Alternative zur klassischen Klebtechnik.
Durch Schweißen lassen sich sogar faserverstärkte Kunststoffe und Metalle miteinander
verbinden: Der Laser raut die Metalloberfläche auf, der Kunststoff, der kurz erwärmt wird,
dringt in die Poren auf der Metalloberfläche ein und erstarrt. Das Ergebnis ist sehr
stabil.«
Gewicht sparen lässt sich auch mit hochfesten metallischen Werkstoffen. Diese stellen
allerdings hohe Anforderungen an die Verarbeitung. »Das Schweißen von
Kombinationen aus verschiedenen Werkstoffen ermöglicht uns, die spezifischen
Eigenschaften der Stoffe optimal zu nutzen. Dies gestaltet sich jedoch in vielen Fällen
schwierig«, erläutert Dr. Anja Techel, stellvertretende Institutsleiterin am FraunhoferInstitut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden. Ihr Team setzt auf Laser: »Mit
dem neuen, integrierten Strahlwerkzeug, das wir entwickelt haben, können wir sogar
Mischverbindungen rissfrei schweißen, was bisher nicht möglich war.« Auf der Laser
2011 zeigen die Forscher erstmals einen neuen Schweißkopf, der das Licht nicht nur
sehr genau fokussiert, sondern auch über die Nahtstelle mit hoher Frequenz hin- und
herpendelt. Auf diese Weise wird das geschmolzene Material durchmischt. Erstarrt die
Schmelze, entsteht eine stabile Verbindung.
Laser ersetzt Chemie
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Geld und Zeit sparen Laser auch beim Werkzeugdesign. Die Formen, in denen
beispielsweise Kunststoffarmaturen und Lenkräder produziert werden, müssen
strukturiert werden, damit das fertige Bauteil eine für Auge und Tastsinn angenehme
Oberfläche bekommt. Die meisten Fahrzeughersteller bestellen bei ihren Zulieferern ein
für die Marke typisches Design, das oberflächlich betrachtet an Leder erinnert. Die
Negativstruktur für dieses Design wurde bisher aus den Stahlwerkzeugen, die beim
Spritzguss verwendet werden, herausgeätzt – ein mühsamer und zeitaufwändiger
Prozess. »Mit dem Laser lässt sich die Stahloberfläche nicht nur schneller, sondern auch
flexibler strukturieren«, erklärt Kristian Arntz vom Fraunhofer-Institut für
Produktionstechnologie IPT. »Wir können jedes beliebige Design direkt vom CAD-Modell
auf die Werkzeugoberfläche übertragen: Was später eine Vertiefung im Kunststoff
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werden soll, bleibt als Erhöhung stehen, das Material drum herum wird verdampft. Der
Prozess läuft effizient und vollautomatisch ab, er ist zudem äußerst flexibel.«
Energie sparen mit reibungsarmen Motoren
Bei der Optimierung von Motoren ist Lasertechnik ebenfalls gefragt. Um den
Wirkungsgrad zu erhöhen, versuchen die Ingenieure die Reibung möglichst gering zu
halten. »Das gilt nicht nur für Elektroantriebe, die jetzt neu entwickelt werden, sondern
auch für die klassischen Otto- und Dieselmotoren, für Getriebe und Lager«, weiß Arnold
Gillner vom ILT. Keramische Hochleistungsbeschichtungen sind besonders begehrt,
denn sie sind nicht nur verschleißbeständig, sondern auch glatt. Der
Reibungswiderstand, den sie erzeugen, ist daher gering. Bisher waren beschichtete
Metallbauteile jedoch teuer: Man benötigte Plasmakammern, in denen Keramik
verdampft und auf der Oberfläche der Bauteile abgelagert wurde. Die FraunhoferForscher haben jetzt eine Methode entwickelt, die billiger und schneller ist: Sie
bestreichen die Werkstücke mit Keramik-Nanopartikeln und behandeln sie anschließend
mit Laserlicht. Zahnräder und Lager wurden auf diese Weise schon veredelt.
Auf Wunsch lassen sich mit Laser sogar die Eigenschaften von Motorteilen gezielt
verändern: »Die Reibung zwischen Zylinderwand und Kolben macht einen Großteil des
Energieverbrauchs eines Motors aus. Wir versuchen sie daher zu verringern. Besonders
wichtig ist dies bei Motoren, die mit einer modernen Start-Stopp-Automatik ausgestattet
sind: Sie werden durch das häufige Starten stark belastet«, sagt Gillner. »Um sie zu
schonen, muss sichergestellt werden, dass die Zylinder immer von einem Ölfilm
überzogen sind. Die Lasertechnik kann mit speziellen Strukturierungsverfahren dabei
helfen, die Reibung zu vermindern und die Ölhaftung zu verbessern.« Auf diese Weise
wollen die Forscher die Lebensdauer von Motoren erhöhen und den Energieverbrauch
senken.
Fitness-Kur für Elektroautos
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Laser können sogar die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer von Elektrobatterien
steigern. Eine gute Nachricht für die Hersteller und Besitzer von Elektroautos, denn
Batterien sind immer noch extrem teuer. Derzeit arbeiten die Ingenieure und
Wissenschaftler bei Fraunhofer an verschiedenen Lösungen, um Batterien haltbarer und
kostengünstiger zu machen. Ein Ansatz besteht darin, die Oberfläche der Elektroden
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durch geeignete Beschichtung zu vergrößern und so die Leistungsfähigkeit zu steigern.
Zusätzlich wird der Produktionsprozess analysiert und optimiert. Die Hersteller fertigen
zunächst aus je einer Anode und einer Kathode Zellen, die sie dann zusammenschalten.
Theoretisch ist das ganz einfach. Praktisch entstehen beim Verschweißen von KupferAnoden mit den Kathoden aus Aluminium spröde Verbindungen, die leicht brechen. Für
den Einsatz im Fahrzeug, das schon mal über Kopfsteinpflaster oder Feldwege fährt, ist
das keine gute Voraussetzung. Mit Hilfe von Lasern, die die Bildung von spröden
Legierungen verhindern, können die Forscher vom ILT Elektroden dauerhaft verbinden.
Eine alternative Lösung haben die Forscher am IWS in Dresden entwickelt: Hier wärmt
ein Laser die Oberflächen an, anschließend drücken Walzen die Oberflächen
zusammen. »Durch das Walzplattieren mit Laser und induktiver Vorwärmung ist es uns
gelungen, sehr stabile Verbindungen zu schaffen, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit
haben und damit einen sehr geringen Leistungsverlust«, berichtet Techel. »Die fertigen
Batterien sind daher sehr effizient. Weil nur wenig elektrische Energie in Wärme
umgewandelt wird, muss man sie außerdem weniger kühlen.«
Bildunterschrift:
Bild1: Schweißen von Batteriefahnen aus Aluminium und Kupfer mit einem Scheibenlaser
zur Fertigung von Batteriesystemen für die Elektromobilität. (© Fraunhofer ILT)
Ansprechpartner in den Fraunhofer-Instituten
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