Highlights aus Forschung und Entwicklung

Für ein neues Motorenkonzept eines deutschen Automobilherstellers entwickelte das Fraunhofer IWS Dresden den Prozess für das Laserstrahlhärten von Nockenstücken. Bei Bedarf ermöglicht es das neue Konzept, unter Teillast zwei von vier Zylindern abzuschalten. Dadurch lassen sich erhebliche Kraftstoff- und CO2- Einsparungen erreichen. Die Entwicklungen des Fraunhofer IWS zielten darauf ab, das Nockenstück an stark beanspruchten Stellen zu härten. Dadurch erhöhen sich die Verschleißbeständigkeit und die Lebensdauer.

Eine besondere Herausforderung stellten die komplexen Konturen der zu härtenden Bauteile dar. Das Fraunhofer IWS setzte dafür Hochleistungsdiodenlaser ein, die sich generell für das Laserhärten hinsichtlich des Preis-Leistungs-Verhältnisses, der Strahlqualität und der Vielfalt der verfügbaren Optiken als effiziente Werkzeuge erwiesen. Der entscheidende Vorteil des Lasers besteht darin, dass sich das Bauteil weniger verzieht, wodurch sich der Nachbearbeitungsaufwand wesentlich verringert. Um die Nockenkonturen den Ansprüchen entsprechend zu härten, verwenden die Wissenschaftler das am Fraunhofer IWS entwickelte dynamische Strahlformungssystem Lassy. Dieses stellt die Intensitätsverteilung prozessgerecht ein und realisiert sehr kurze Taktzeiten. Da das Härten eine präzise Temperaturführung erfordert, kombinierten die Wissenschaftler eine »E-MAqS«-Wärmebildkamera mit einem »LompocPro«- System für die Temperaturregelung. Letzteres sorgt gleichzeitig dafür, die im System generierten Prozessdaten und die Qualität der Bauteile zu überwachen. Fehlerhafte Bauteile werden somit automatisch aus der Anlage geschleust. Im Gegensatz zu konventionellen Batchprozessen werden die Nockenstücke nun in Linie gefertigt. Auf diese Weise wird weniger Energie in das Bauteil eingeführt als bei konventionellen Härteverfahren.

Das Aufgabenspektrum des Fraunhofer IWS umfasste sowohl die Prozess- als auch die Technologieentwicklung, um darauf aufbauend die Serienfertigungsanlage zu konzipieren. Außerdem übernahmen die Wissenschaftler die Entwicklung der Systemtechnik sowie die Fertigung der Baustufen. Anschließend nahmen sie die Prozesse in Betrieb, fuhren diese an und begleiteten sie in die Serie. Die Komponenten wurden mit der Anlagensteuerung verbunden, die entsprechenden Schnittstellen bereitgestellt und die logischen Abläufe zusammen mit dem Anlagenlieferanten entwickelt sowie installiert. Dabei passten die Forscher alle Prozessparameter wie Temperatur, Vorschubgeschwindigkeiten und Laserpositionen an der Serienanlage an. Während der Entwicklung war das Forscherteam auch an der Materialauswahl beteiligt und unterstützte den Automobilhersteller bei der Konstruktion, um die Bauteile sowie die Fertigungsfolgen optimal für das Laserstrahlhärten anzupassen.