Laserstrahlumformen: Eine Sekunde Hitze auf engstem Raum

Um mehr als zehntausend Grad in einer Sekunde heizen Werkstoffe sich auf und kühlen ebenso schnell wieder ab, wenn sie mit einem Laserstrahl in Form gebracht werden. Daß dabei auch die Mikrostruktur und damit die Eigenschaften des bearbeiteten Materials sich verändern, ist unvermeidlich; doch sollen die Bauteile sowohl exakt geformt sein als auch weiterhin beispielsweise bruch- und reißfest bleiben. Im Schwerpunktprogramm „Kurzzeitmetallurgie“ fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft für weitere zwei Jahre ein Grundlagenforschungsprojekt zu dieser Problematik am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie von Prof. Dr.-Ing. Dr. Ing. E.h. mult. Dr. h.c. Manfred Geiger an der Universität Erlangen-Nürnberg. Das Projekt, das von Dipl.-Ing. Marion Merklein bearbeitet wird, hat damit eine Gesamtlaufzeit von fünf Jahren.

Das Laserstrahlumformen ist ein flexibles Fertigungsverfahren, das seit einigen Jahren im Rapid Prototyping, der Kleinserienfertigung oder dem Richten geschweißter Komponenten angewendet wird. Für dieses sehr innovative Verfahren müssen keine aufwendigen Umformwerkzeuge bereitgestellt werden. Um das Einsatzspektrum des Laserstrahlumformens, z. B. im Automobilbau für das Richten gegossener Bauteile, erweitern zu können, ist es unabdingbar, die Auswirkungen der Laserbestrahlung und der damit verbundenen kurzzeitigen Erwärmung (Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit > 104 K/s) auf die mechanischen Eigenschaften und die Mikrostruktur des Werkstoffes genau beschreiben zu können. Bei dieser Lasermaterialbearbeitung wird in einem eng begrenzten Bereich der Werkstoff aufgeheizt, jedoch an der Wärmeausdehnung gehindert und dadurch plastisch verformt; damit verändern sich an der bearbeiteten Stelle auch die Werkstoffeigenschaften. Zwei Aluminiumlegierungen, beide typische Außenhautwerkstoffe im Automobilbau, werden vorrangig untersucht. Die Werkstoffe werden auf unterschiedliche Weise mit Wärme behandelt und weisen deshalb unterschiedliche Eigenschaften auf.

In den ersten drei Projektjahren konnten die Auswirkungen des Laserstrahlumformens bei Verwendung eines Nd:YAG-Lasers für Blechwerkstoffe der Blechdicken 1 bis 3 mm untersucht und beschrieben werden. Das Gefüge wurde lichtmikroskopisch untersucht, die Mikrostruktur mit dem Elektronenmikroskop. Art und Umfang der Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften konnten mittels Ultrakleinlasthärtemessungen und Zugversuchen nachgewiesen werden. Die beim Laserstrahlumformen auftretenden Temperaturfelder und Temperaturgradienten sowie die lokal vorherrschenden Spannungs- und Dehnungszustände wurden mittels FEM- Simulation berechnet. Eine Korrelation dieser Ergebnisse mit denen der FEM (Finite-Elemente-Methode) ermöglicht die modellartige Beschreibung der Werkstoffveränderungen für das Laserstrahlumformen bei Verwendung eines Nd:YAG-Lasers.

Im weiteren Verlauf des Projektes sollen die Untersuchungen auf das Excimer-Laserstrahlumformen ausgedehnt werden. Da die Strahlung hier sehr viel weniger tief in den Werkstoff eindringt, können deutlich dünnere Bleche in das Versuchsprogramm aufgenommen werden. Damit soll geprüft werden, ob die bisher gefundenen Zusammenhänge sowohl auf andere Lasersysteme als auch auf ein breiteres Werkstoffspektrum übertragbar sind. Temperaturmessungen an den umzuformenden Bauteilen sollen das FEM-Modell absichern und die Simulationsergebnisse verbessern. Diese Messungen gewährleisten einen Abgleich von Experiment und Simulation.

Nach Ablauf der Projektdauer von fünf Jahren wird es möglich sein, sowohl die Grenzen des Laserstrahlumformens aus werkstoffkundlicher Sicht aufzuzeigen als auch sinnvolle Prozeßketten vorzugeben, die notwendige Anforderungen an Werkstoffe beim Laserstrahlumformen sichern.

Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. Manfred Geiger, Dipl.-Ing. Marion Merklein
Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, Egerlandstraße 11, 91058 Erlangen
Tel.: 09131/85 -27140, -28341, Fax: 09131/36 40 3, E-Mail: mn@lft.uni-erlangen.de