Lasermaterialbearbeitung

Wir führen seit 1992 Beratungs-Dienstleistungen zum Laserschweißen und Laserschneiden durch. Eines der ersten Projekte befasste sich mit der 'Lasergerechten Konstruktion einer Kraftfahrzeugtür' und wird hier exemplarisch dargestellt.

Die Lasermaterialbearbeitung gehört zu den Schlüsseltechnologien, die eine Verbesserung der Fertigungstechnik bewirken. In der industriellen Fertigung werden daher zunehmend Laser zum Schweißen und Schneiden eingesetzt. Bei ebenen Bearbeitungsvorgängen, insbesondere beim Laserschneiden, haben sie inzwischen einen beachtlichen Anteil eingenommen, der unter anderem auch durch Job-Shops abgedeckt wird. Das Laserschweißen wird aus Gründen der Qualitätssicherung aber meist im eigenen Hause durchgeführt. 

Die bisher mechanisch gebördelte Autotür sollte entlang der Falzung mit einem 5 kW CO₂-Laser dichtgeschweißt werden. Dabei mussten geeignete Nahtarten ausgesucht werden und die Türinnenteile mussten durch eine Änderungskonstruktion lasergerecht umkonstruiert werden, um die Zugänglichkeit für des robotergeführten Laserkopfes zur Schweißnaht zu ermöglichen. 

Die Geometrie des Bauteils muss zulassen, dass der Schweiß-Roboter die Schweißnaht erreichen kann. Die Konturen der Schweißbahn müssen so gestaltet sein, dass sie vom Roboter - z.B. durch einen Nahtfolgesensor - zuverlässig verfolgt werden können. Dazu ist es in vielen Fällen nötig, bereits im CAD-Modell eine Kollisionsanalyse durchzuführen.

Die Darstellung als Drahtmodell zeigt die Außenhaut und die Innenteile der
Autotür. Die Außenhaut wird im wesentlichen durch die 5 violett wiedergegebenen Bezierkuven erzeugt. Die Innenteile werden durch gelbe Bezierkurven nachgebildet. Sie liegen in dieser Ansicht über der Außenhaut. Die Patches, die zwischen den Bezirkurven aufgespannt wurden, haben grüne Ränder. Auf den Patches verlaufen blaue Isolinien. Das sind Parameterlinien, die entstehen, wenn einer der beiden linear unabhängigen Flächenparameter u oder v konstant gehalten wird. Um die Transparenz auf die Außenhaut zu erhöhen, wurde im Bild nur ein Isolinienpaar pro Patch dargestellt. 

Die ausgestanzten Löcher wurden nicht aufgenommen. Ebenso wurde auf die Modellierung des Rückspiegel-Trägers verzichtet Die Bohrungen des Seitenaufprall-Trägers und der Scharniere wurden durch Punkte dargestellt.

Die links dargestellte Kehlnaht ist günstig, weil der Werkstoff beim Schmelzen nachfließen kann. Ähnlich wie bei der Verwendung von Zusatzwerkstoff beim konventionellen Schweißen wird dadurch eine gleichmäßige Temperaturverteilung bewirkt. Es bildet sich nämlich ein Gleichgewicht zwischen Volumen der Schmelze und der zugeführten Energie, das eine konstante Einstellung der Temperatur der Schmelze bewirkt. Die geforderte Neigung des Schweißkopfs von 20° in Richtung auf das Innenteil führt aber zu Konflikten, wenn große Fensterscheiben in der Tür untergebracht werden sollen. Im Vergleich zum rechts dargestellten Durchschweißen benötigt die Kehlnaht weniger Energie für den gleichen verschweißten Querschnitt. Dadurch lassen sich höhere Prozeßgeschwindigkeiten und ein geringerer Wärmeverzug erreichen.

In Bereichen, die wegen der geometrischen Gestaltung der Innenteile von innen nicht mit einer genügenden Schrägstellung des Schweißkopfs erreicht werden können, kann mit Hilfe von Bohrungen gut Abhilfe geschaffen werden. Diese Nahtart kann zwar Kräfte übertragen, scheidet aber hier aus, weil sie nicht wasserdicht ist.

Falls die Tiefziehbleche genügend elastisch sind, um federnd Kräfte zu übertragen, könnte zuerst die Falzung gefertigt werden, unter die anschließend die Innenteile geschoben werden. In diesem Falle könnte auf ein Andrücken während des Schweißens verzichtet werden, weil der Fügespalt durch den Druck der Falzung genügend klein gehalten würde.

Um Probleme bei der Montage zu vermeiden, müssen mindestens drei Innenteile vorgesehen werden: Wenn zuerst das vordere und hintere Innenteil in die Türecken eingeschoben werden, kann abschließend das Oberteil zwischen diesen Teilen platziert werden.

Diese Bauteilgestaltung wird bei Kunststoffkarosserien französischer Hersteller bereits angewendet. Türen und die Heckklappen werden in dieser, wegen der großen Toleranzen leicht zu fügenden, Weise zusammengebaut. Dabei werden aber aber Klebstoff und Schrauben zum Fügen verwendet.
Weil die beim Laserschweißen verwendeten Bleche aber sehr viel dünner als die entsprechenden Kunststoffteile sind, scheint diese Nahtform für Blechkonstruktionen wegen der Empfindlichkeit gegen Biegen an der Blechkante und wegen der Verletzungsgefahr nicht geeignet.

Außerdem verändert sich durch die Wärmeeinwirkung vermutlich die Zinkschicht der Außenhaut, was auch nach dem Lackieren sichtbar wäre. Vorversuche, die prüfen, ob die Wärme gut genug abfließen kann, wären daher unbedingt erforderlich.

Die links dargestellte Nahtform wird unverschweißt in Sportwagen eingesetzt. Die Gestaltung der Bördelung weist darauf hin, dass der Außen- und Innenteil der Tür gemeinsam umgebördelt werden. Dadurch werden die für einen schmalen Türspalt nötigen kleinen Toleranzen erreicht, die Voraussetzung für einen niedrigen Luftwiderstandsbeiwert sind.

Diese Nahtart ist vor allem für den Bereich der Türecken sehr gut geeignet, weil sie das unkontrollierte Aufschmelzen der Ecken vermeidet. Insbesondere wenn die Ecke durch einen Radius abgerundet wird, kann die Wärme gut ins Blech abgeleitet werden, so dass ein Wännestau vermieden wird. Die Naht ist mit dem Laserschweißkopf gut zugänglich, setzt aber nach dem Positionieren der Innenteile einen eigenen Arbeitsgang voraus.
Die rechts abgebildete Stirnflächennaht scheidet wegen der Verletzungsgefahr und dem Wärmeeinfluss auf die Außenhaut aus.

Da es sich um eine Kehlnaht am Überlappstoß handelt, können die bei der Schweißung entstehenden Zinkdämpfe gut aus dem Spalt entweichen. Vor allem in Verbindung mit einer Andrückrolle, oder besser Andrückkugel, ist dies eine elegante und robotergerechte Art der Schweißung.