Laserstrahlbiegen komplexer Aluminiumstrukturen für Anwendungen in der Luftfahrtindustrie

3 Stand der Technik (S. 28-29)

Das folgende Kapitel gibt einen Überblick über die Entwicklungen des Laserstrahlumformens und gängige Anwendungen in der industriellen Fertigung. Aus den speziellen Anforderungen der Luftfahrtindustrie und den Eigenschaften der eingesetzten Werkstoffe wird der Handlungsbedarf für die grundlegenden Untersuchungen zur industriellen Umsetzung des Verfahrens abgeleitet.

3.1 Entwicklungen und industrielle Applikationen des Laserstrahlumformens

3.1.1 Primärformgebung

Anwendung im Schiffbau
Einer der klassischen Anwendungsbereiche thermischer Umformverfahren ist der Schiffbau, der dafür hauptsächlich das Flammrichten einsetzt. 1980 regte Masubuchi an, Hochleistungslaser für diese Aufgaben einzusetzen (MASUBUCHI 1992). Die ersten Forschungsarbeiten für das Laserstrahlumformen wurden im Jahr 1980 von der U. S.-amerikanischen Marine durchgeführt. Für das Umformen von Blechteilen für Schiffskörper wurde das Laserstrahlumformen als Ersatz für das konventionelle Formrichten mittels Acetylen-Sauerstoff-Flamme untersucht. Das besondere Interesse begründete sich darin, den Laser als sehr gut regelbare Energiequelle im Gegensatz zur offenen Flamme einzusetzen. Die ersten Ergebnisse zeigten, dass sich besonders Stähle für dieses Umformverfahren eignen. Die Materialstärken bewegten sich im Bereich von 6,25 mm bis 12,5 mm. Im Vergleich zum Flammrichten zeichnet sich das Verfahren durch eine höhere Genauigkeit der umgeformten Bauteile sowie eine geringere Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften aus. Die Materialspezifikation MIL-S-16216J des US-Militärs für hochfeste Stähle kann nach der Bearbeitung eingehalten werden (MAGEE et al. 1998b). Für den industriellen Einsatz erweisen sich vor allem die Regelung des Prozesses sowie die Handhabung der Laserstrahlung als vorteilhaft. Durch die Weiterentwicklung dieses Prozesses hinsichtlich dieser vorteilhaften Eigenschaften findet das Laserstrahlumformen im Schiffsbau vermehrten Einsatz. Die Prozesskontrolle auf Basis einer pyrometrischen Temperaturerfassung sowie ein direktes Aufsetzen der Optik auf die Oberfläche des umzuformenden Bauteils zur Vermeidung unkontrollierter Streustrahlung bilden eine Basis für die Anwendung (KOERDT et al. 2007).

2-d- und 3-d-Umformung einfacher Blechstrukturen
Die bisher am intensivsten untersuchten Anwendungsfälle für das Laserstrahlumformen sind die zweidimensionale und die dreidimensionale Formgebung von Blechmaterial. Blake beschreibt das Laserstrahlbiegen von Dünnblechen (Dicke 0,26 mm bis 0,64 mm). Zum Einsatz kam dabei ein Desktopsystem, das mit einer CO2-Strahlquelle ausgerüstet war. Die Bahngenerierung für die verschiedenen Biegeradien wurde aus den CAD-Daten der Endkontur berechnet. Basis für die Parameterbestimmung war allerdings eine definierte Vorbereitung der bestrahlten Oberfläche, wodurch wiederum die Flexibilität einschränkt war (BLAKE et al. 1997). Für das Biegen einfacher Zylindersegmente aus Blechmaterial entwickelte Magee 1998 einen ersten Demonstrator. Mit dem verwendeten Lasersystem wurden Proben der Größe 450 mm x 225 mm bearbeitet. Ziel war es, ein Zylindersegment mit 900 mm Radius zu biegen. Mit Hilfe dieses Demonstrators wurde eine Regelstrategie entwickelt. Die Regelung basiert zum einen auf der Probengeometrie, die mittels eines Laserlichtschnittverfahrens erfasst wird. Zum anderen nutzt die Regelung Prozessparameter, die in vorgelagerten Parameterstudien bestimmt werden. Die Genauigkeiten, die mit diesem System erreicht werden können, liegen im Bereich derjenigen von bestehenden mechanischen Umformverfahren (MAGEE et al. 1998c). Die Generierung großer Biegewinkel erfordert Vielfachbestrahlungen des umzuformenden Werkstückes. Die genaue Kenntnis der Auswirkungen benachbarter oder übereinander liegender Bestrahlungsbahnen ermöglicht die exakte Kontrolle des Umformprozesses. Verfestigung und Aufdickung durch die Umformung und die Veränderung des Absorptionsverhaltens nach einer Bestrahlung wirken sich dabei nur auf Vielfachbestrahlungen einer Bahn aus. Thermische Effekte und Einflüsse durch das jeweils verwendete Spannsystem müssen für die entsprechende Umformaufgabe experimentell bestimmt werden (EDWARDSON et al. 2005, EDWARDSON 2004). Kontrollierte dreidimensionale Umformungen stellen erheblich höhere Anforderungen an das Kontrollsystem. Durch eine geeignete Wahl der Bestrahlungsbahnen ist die gezielte Umformung von Blechmaterial sogar zu unregelmäßigen Formen möglich (CHENG et al. 2005, DUFLOU et al. 2005).