Qualifizierung von 532nm-cw-Grundmode-CBC-Faserlasern hoher Leistung für innovative Prozesse und Anlagen der Makromaterial-bearbeitung von Rein-Kupferwerkstoffen für Elektromobilität, Leistungselektronik und Automatisierung
Batteriegetriebene Antriebssysteme werden zukünftig für nahezu alle Fortbewegungssysteme zum Einsatz kommen. Bauteile und Komponenten aus Werkstoffen wie Kupfer und auch Aluminium mit sehr guter elektrischer und Wärme-Leitfähigkeit sind dabei Schlüsselkomponenten u. a. für Energiespeichersysteme, Leistungselektronik, Steuerung und erforderliche Kühlstrukturen. Für die flexible Bearbeitung (Fügen, Trennen, additive Fertigung insbesondere Selektives Laserstrahlschmelzen) der genannten Werkstoffe sind Laserverfahren von Vorteil. Zum Einsatz kommen Nah-Infrarot (NIR)-Laser mit brillanter Strahlqualität, die auch eine hohe Ortsauflösung bieten. Die für hinreichende Prozessstabilität und Prozesswirkungsgrad bei Einsatz von NIR-Laserstrahlung erforderliche Mindestintensität ermöglicht in der Regel für Kupfer nur Prozesse im Keyhole-Mode (Ausbildung einer Dampfkapillare erforderlich).
Der hohe Reflexionsgrad bei Kupfer für Bearbeitung mit klassischen NIR-Lasern ist hierbei limitierend. Stabile Prozesse ohne Spitzer in der schmelzflüssigen Phase wie Wärmeleitungsschweißen oder Festphasenprozesse wie Wärmebehandlung/Glühen sind mit NIR-Laserstrahlung für Kupfer nicht bzw. nur mit Einschränkungen möglich. Für Laser im sichtbaren Bereich mit einer Wellenlänge von 532nm (Grün) steigt im Vergleich zu NIR-Faserlasern mit 1070 nm die reale gemessene Absorption an poliertem Kupfer bei Raumtemperatur von 3 % auf 42 % und für den technisch relevanten Temperaturbereich bis zum Schmelzpunkt von 10 % auf 29 % und lässt somit eine Steigerung des Prozesswirkungsgrades um den Faktor 3 erwarten.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens CBC-Green wurde es sich daher zur Aufgabe gemacht, dass Schweißen von Kupferwerkstoffen mittels eines grünen Grundmode-Lasers von CIVAN Advanced Technologies zu realisieren. Die K.H. Arnold Maschinenfabrik GmbH & Co. KG (Fa. Arnold) hatte im Forschungsverbund die Aufgabe der Entwicklung einer Strahlführung und Modulation, welche in einer Bestandsanlage des Fraunhofer IWS integriert werden sollte, zugeteilt bekommen.
Im ersten Schritt war es notwendig eine Optikbox zu konzipieren, welche den Rohstrahl entsprechend formt und über eine Strahlführung den Laserstrahl umzulenken, sodass er am Bauteil ankommt. Für die Optikbox wurden anhand der Kaustikdaten des Lasers und den Anforderungen für die Erstellung des Demonstrators, die für die Auslegung der Spiegel benötigten Berechnungen durchgeführt. Anhand der berechneten Daten wurde die Optikbox konstruktiv ausgearbeitet und gefertigt. Die Einzelteile der Optikbox wurden bei der Fa. Arnold vor Ort montiert und an das Fraunhofer IWS geliefert. Dort wurden die Strahlführung in der Bestandsanlage des Fraunhofer IWS überarbeitet, sodass mit dem hier verwendeten grünen Laser gearbeitet werden kann. Parallel wurde die Optikbox eingebaut und steuerungstechnisch integriert. Unser Inbetriebnehmer hatte hier die Schnittstellen nach Wunsch der Projektteilnehmer so programmiert, dass mit dem grünen Laser an der Anlage über die Maschinensteuerung gearbeitet werden kann. Während der Erprobung des Lasers, stand die Fa. Arnold zur Unterstützung bzw. für notwendige Anpassungen über den restlichen Projektzeitraum zur Verfügung.
Projektpartner:
thyssenkrupp Systems Engineering GmbH
Fraunhofer IWS Dresden
Siemens AG Corporate Technology
CIVAN Advanced Technologies (Israel)