20 km von der Universität Hamburg-Harburg entfernt ist dazu in den letzten Monaten in Bergedorf auf einem Areal, das noch viel Freiraum für die Ansiedlung institutsnaher Firmen lässt, ein Gebäude entstanden, dem man die Verbindung zum Laser schon auf den ersten Blick ansieht: Die Form erinnert an einen aus dem Boden nach oben strebenden und einmal abgelenkten Laserstrahl, die dominierenden Farben weiß und gelb symbolisieren die Farbe des gebündelten Lichts.

Etwas mehr als 20 Millionen Euro wurden hier in eine optimale Infrastruktur investiert, 13 Millionen davon stammen aus dem Konjunkturpaket von Hamburg, weitere 8 Millionen Euro steuerten verschiedene Partner aus der Industrie bei, deren Engagement auch in Zukunft gefragt sein wird. Denn wie Prof. Emmelmann betont, müssen das LZN und das Institut an der TU ohne Grundfinanzierung auskommen und sämtliche Erträge – momentan rund 2,5 Millionen Euro, Tendenz stark steigend – aus der Wirtschaft und aus Drittmitteln finanzieren.

Die Infrastruktur am LZN umfasst 4.500 m² Labor- und Bürofläche und Maschinen im Wert von 13 Millionen Euro, die derzeit aufgebaut werden und bis Ende des Jahres voll in Betrieb sein sollen. Die insgesamt 30 Beschäftigten an beiden Einrichtungen – dem Laser Zentrum Nord und dem Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik der TU Hamburg-Harburg – können dann lasertechnisch aus dem Vollen schöpfen. Denn neben zahlreichen cw-Festkörperlasern von wenigen Watt bis zu 30 kW sind auch verschiedenste gepulste Strahlquellen vom Mikro- über Nano- bis zum Picosekundenlaser mit Leistungen von 10 bis 500 Watt vorhanden. „Durch diese riesige Bandbreite verfügen wir über enorme Möglichkeiten," erklärt Prof. Emmelmann. Und CO₂-Laser? Fehlanzeige. Im LZN wird es nur Festkörperlaser geben.

Highlight unter den Strahlquellen ist der in dieser Form weltweit einzigartige 30 kW Faserlaser von IPG. Dazu Marc Kirchhoff, Leiter Anlagentechnik am LZN: „Faserlaser mit 30 kW gibt es auch in anderen Einrichtungen. So verfügt zum Beispiel IPG in seiner Entwicklung über so einen Laser mit einer 200 µm Feeding-Faser. Wir haben jetzt aber am LZNord einen 30 kW Laser mit einer 100 µm Feedingfaser und doppelter Strahlweiche auf zweimal 300 µm Fasern. So etwas gibt es nur einmal auf der Welt. Gerade die doppelte Strahlweiche macht das System so interessant. Dadurch können wir sowohl den Hybridkopf als auch den Remote-Kopf mit 30 kW Laserleistung bedienen und im Millisekundenbereich umschalten."

Der Remote-Kopf ist eine weitere Besonderheit und gleichzeitig ein wichtiges Kompetenzfeld des LZN, das sogar einen eigenen Scanner entwickelt hat. Prof. Emmelmann zu den Besonderheiten des Dragon genannten Systems: „Unser Scanner ist in der Lage, ungewöhnlich große Arbeitsräume abzudecken, heißt bei einem Abstand von über 1,5 m eine Fläche von 1 x 1 m. Im Gegensatz zu üblichen Scannern werden die Spiegel bei unserem System mit Linearmotoren bewegt, deren lineare Bewegung in eine rotatorische Bewegung übersetzt wird. Der Grund: Die Linearantriebe haben ein weit größeres Drehmoment als die üblicherweise zur Bewegung der Spiegel eingesetzten Galvanoantriebe. Wir können dadurch große Spiegel viel schneller beschleunigen und erreichen eine hohe Genauigkeit. Zudem zeichnet sich die Lösung durch eine hohe Integrationsfähigkeit in CNC-Steuerungen aus, was bei Galvanoantrieben nicht unbedingt der Fall ist. Wir können dadurch unsere Achsen wunderbar mit CNC-Maschinen oder Robotern koppeln."

Zudem gehen Prof. Emmelmann und sein Team davon aus, dass sich mit diesem Konzept höhere Geschwindigkeiten erreichen lassen. So wird gerade ein Scanner entwickelt, der über 100 m/sec Verfahrgeschwindigkeit realisieren soll. Wie Prof. Emmelmann erklärt, ist dies „insbesondere für die Verfahren wichtig, bei denen heute der Flaschenhals nicht mehr der Laser ist, sondern der Scanner. Wir dringen mit unserer neuen Entwicklung in Bereiche vor, die sich nicht ohne weiteres mit Galvanoscannern erreichen lassen. Denn Galvanoscanner gehen heute bis zu Geschwindigkeiten von etwa 10 m/sec. Dies wollen wir aber um Faktor zehn und darüber steigern. Damit wären wir bei den Bearbeitungsgeschwindigkeiten am Bauteil nicht mehr bei 300 m/min, sondern bei 3.000 m/min. Dies ist ja das Schöne am Laser, dass wir nicht über Steigerungen um zehn Prozent nachdenken müssen, sondern durch die Nutzung neuer Konzepte um ganze Größenordnungen schneller werden können."

Dass derartige Verbesserungen kein theoretischer Wert, sondern auch im praktischen Einsatz erreichbar sind, hat das LZN-Team schon in konkreten Industrieprojekten bewiesen. So wurde für einen Blechbearbeiter untersucht, ob sich die 6.000 Teile, die heute täglich konventionell mittels MAG-Schweißen hergestellt werden, nicht besser in einem Hybrid-Prozess Remoteschweißen lassen. Das Ergebnis: Die Herstellkosten und die Investitionskosten ließen sich um 30 Prozent reduzieren, die Qualität durch die Minimierung der thermischen Verzüge um 40 Prozent steigern und die Taktzeit um 75 Prozent reduzieren.

Gerade im Hybrid-Prozess mit Laser-MAG-Schweißen und Laser-Remote-Schweißen sieht Prof. Emmelmann noch großes Potenzial: „Häufig lässt sich ein Schweißprozess nicht nur mit Remote-Schweißen beherrschen, denn heute ist ein Remote-Prozess nur mit Überlapp-Schweißnähten möglich. Die Anlagen sind einfach noch nicht genau genug, um prozesssicher Kehlnähte zu treffen. Dies wird sicher noch kommen, dauert aber noch ein bisschen. Da aber ein Bauteil in der Regel nicht nur mit Überlappnähten zu schweißen ist, braucht man immer auch andere, höher tolerant Prozesse. Und hier ist der Hybrid-Prozess sehr gut geeignet. Der Laser ist für das Remote-Schweißen ohnehin vorhanden und dann ist es kein Problem, den Laser über eine Strahlweiche noch zu einem Roboter mit Laser-Hybrid-Schweißkopf zu schicken." Derzeit laufen übrigens am LZN gleich mehrere Projekte für Unternehmen aus der Automobil-Branche, die so oder ähnlich aufgebaut sind.

Meist werden die Scanner dabei von einem Roboter bewegt, wobei das LZN dessen Schwachstelle – die für bestimmte Anwendungen zu geringe Genauigkeit – geschickt umgeht. Prof. Emmelmann: „Scanner lassen sich mit Roboter oder in einem CNC-System einsetzen. Wir ziehen allerdings den Roboter vor, da er mehr Freiheitsgrade hat. Das einzige Problem ist die zu geringe Genauigkeit des Roboters, die wir mit Bildverarbeitung über den Scanner ausgleichen. Wir messen mit dem Scanner bei einer Entfernung von 1 m im Bereich von wenigen µm. Damit sind wir in der Lage, die Ungenauigkeiten des Roboters komplett zu kompensieren."

Welche Möglichkeiten sich mit einer derartigen Remote-Bearbeitung eröffnen, wird das LZN am Beispiel von Schiffssegmenten demonstrieren. Gemessen wird dabei durch dieselbe Optik, durch die im nächsten Schritt geschnitten oder geschweißt wird. Da der Bearbeitungsstrahl dasselbe optische System nutzt, lässt sich genau definieren, wo der Strahl auf dem Bauteil auftrifft. Wie Marc Kirchhoff versichert, „gibt es so etwas heute weltweit noch nicht. Das ist eine völlige Neuheit. Denn nach der kompletten Bilderkennung werden mit dem gleichen System im zweiten Schritt die einzelnen Bleche mittels Remote-Schweißen komplett fixiert. Damit ist die Struktur auch widerstandsfähig gegenüber thermischen Verspannungen, die beim Schweißen zwangsläufig auftreten."

Mit den Daten der Bilderkennung werden dann zudem die Roboter einer zweiten Roboterbrücke gesteuert, die im Laser-Hybrid-Schweißprozess das notwendige A-Maß der Schweißnaht erzeugen, das der Germanische Lloyd verlangt.

Eine dritte Roboterbrücke dient der Qualitätssicherung. Prof. Emmelmann: „Wir blicken dabei mit einer vom ILT entwickelten Sensorik direkt in die Hybrid-Schweißnaht hinein. Zusätzlich sehen wir uns mit Ultraschall an Luft die Qualität im Inneren der Schweißnaht und mit einer Laser-Triangulation die Außengeometrie sehr genau an. Sämtliche Prozesse sind derart verknüpft, dass wir eine qualitätsgesicherte Schweißnaht erzeugen können, die den Belastungen des Schiffes auch definitiv standhält.

Dahinter steckt das mit einem Fördervolumen von 12 Millionen Euro größte Projekt, das das BMWi bisher für den Schiffbau finanziert hat. Partner sind die beiden Schiffsbauer Meyer-Werft und Blohm & Voss, der Germanische Lloyd, von Institutsseite neben dem Laser Zentrum Nord auch die Fraunhofer-Institute ILT, IZFP und LBF sowie das Schiffbau-Institut SKF der TU Hamburg-Harburg. Dazu sind noch die Industriepartner IPG, Cloos und Precitec beteiligt.

Die elf Partner haben sich zum Ziel gesetzt, mit einem Demonstrator eine komplette Schiffssektion dreidimensional automatisiert zu schweißen – mit höherer Geschwindigkeit und Qualität als je zuvor. Dabei erlaubt es der 30 kW-Laser des LZN, Bleche mit über 20 mm Dicke zu schweißen.

Derart dicke Bleche sind aber gar nicht das eigentliche Ziel, ganz im Gegenteil. So gehen Experten der Meyer-Werft davon aus, dass sich mit diesem Projekt bei gleicher Steifigkeit die Blechdicken der Schiffe von 10 mm auf 3 mm reduzieren lassen. Dies würde enorm viel Material und Gewicht einsparen, denn aus Festigkeitsgründen sind die dicken Bleche meist gar nicht erforderlich. Prof. Emmelmann: „Zum Teil werden heute die dickeren Bleche allein deswegen eingesetzt, weil sich nur so der Verzug beherrschen lässt. Wenn man große Bleche mit 3 mm Dicke MAG-schweißt, entstehen durch die eingebrachte Wärme Wellen wie auf hoher See. Selbst Bleche mit 10 mm Dicke verziehen sich noch deutlich. Mit Laserschweißen sieht die Sache ganz anders aus." Welches Potenzial im verzugsarmen Laserschweißen steckt, zeigen die Richtzeiten, die heute im Schiffbau anfallen: Bei einer gängigen Fregatte sind dies rund 30.000 Stunden, die sich dank Laser vermeiden lassen.

Bis zur Umsetzung des neuen Konzepts, das nach Überzeugung von Prof. Emmelmann die Schiffbau revolutionieren wird, ist aber noch ein weiter Weg, denn mit den dünneren Blechen muss sich auch die tragende Struktur ändern. Deshalb sind im Projekt auch verschiedene Konstrukteure involviert, welche die Schweißnähte in die dynamischen Festigkeitsanforderungen der Schiffe übersetzen, und die dann auch im nächsten Schritt überlegen, wie man so ein Schiff ganz anders konstruieren kann. Entscheidend dabei ist, dass durch die neuartige Konstruktion die gleiche Steifigkeit bei weit geringeren thermischen Verzügen erreicht wird. Dieser Prozess ist jetzt aber erst in Gang gekommen und mit dem großen Laserportal des LZN sind die technischen Voraussetzungen geschaffen, dies an realen Schiffssegmenten zu untersuchen.

Das Portal wird eines der größten der Welt sein und mit dem 30 kW Laser von IPG auch eines der leistungsstärksten. Der Laser wurde schon Anfang Juli 2011 in der TU installiert und hat schon bei den ersten Versuchen gezeigt, welche beeindruckenden Möglichkeiten er eröffnet. Dies alles hat aber auch seinen Preis. So haben Portal und Laser zusammen einen Wert von rund sechs Millionen Euro. Wie Prof. Emmelmann betont, haben sich aber die Hersteller umfangreich an der Investition beteiligt, „denn diese Art der Prozesskettenbeherrschung gibt sonst nirgendwo auf der Welt. Wir können nicht nur sämtliche Schnittstellen für den künftigen Einsatz in der Industrie optimieren, wir können auch am konkreten Produkt die Vorteile solcher Lösungen aufzeigen.

Die Vorteile der einzigartigen Anlage haben sich inzwischen schon in anderen Branchen herumgesprochen und derzeit entstehen erste Projekte mit dem Schienenfahrzeugbau, der Windkrafttechnik sowie dem Anlagen- und Schwermaschinenbau.

Das große Portal samt 30 kW Faserlaser ist zwar das anlagentechnische Highlight der Hamburger, aber dennoch nur ein System von vielen: Drei weitere Roboterzellen zum Schneiden, Schweißen, Generieren und Abtragen mit Robotern von Fanuc, Kuka und Cloos sind Teil einer kompletten Prozesskette, mit der das LZN zusammen mit einer TruLaser 5030 fiber sowie einer TruBend 5130 Abkantpresse eine komplette dreidimensionale Blechbearbeitung darstellen kann.

Dies alles ist nur ein Tätigkeitsfeld von vielen. Auch beim Laser-Generieren und Laser-Abtragen, in der Luftfahrt und in der Medizintechnik, im Fahrzeugbau und im Formenbau kann der Newcomer unter den Laserinstituten schon eindrucksvolle Erfolge vorweisen. Und das LZN entwickelt auch nicht nur Prozesse mit allen denkbaren Laserverfahren, sondern zudem Maschinen und Komponenten und unterstützt seine Kunden sogar bei deren Produktentwicklung. Mehr darüber in der nächsten Ausgabe der EuroLaser.