Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Thermisches Fügen

Hochflexible Schweißtechnologien für Stahl, Leichtmetalle und Materialkombinationen

Wir entwickeln komplette schweißtechnologische Lösungen – von der Analyse der Fügeaufgabe, der Betrachtung der Auswirkungen des Schweißprozesses auf die Konstruktion, den Werkstoff und die entstehenden Produkteigenschaften, der Produkt- und Technologieoptimierung bis hin zur industriellen Umsetzung.

Trends

  • Einsatz modernster Fügeverfahren (hohe Prozessgeschwindigkeiten, Null-Fehler, energieeffizient)
  • Fügetechnologien für den Leicht- und Mischbau
  • Energie- und Ressourceneffizienz in der Fügetechnik
  • Schweißprozess- und -verzugssimulation
  • Bauteilsimulation und -optimierung
  • Betrachtung und Optimierung von Prozessketten

Unsere Forschungsschwerpunkte

Wir bieten komplette schweißtechnologische Lösungen an – von der Analyse der Fügeaufgabe, der Betrachtung der Auswirkungen des Schweißprozesses auf die Konstruktion, den Werkstoff und die entstehenden Produkteigenschaften, der Produkt- und Technologieoptimierung bis hin zur industriellen Umsetzung.

Unsere Ziele

  • höchste Produktivität und Effizienz
  • minimale Kosten
  • robuste Prozesse

Umsetzung neuester Entwicklungen

Je nach Fügeaufgabe wählen wir modernste Fügetechnologien aus, die in Bezug auf Bauteileigenschaften, Qualität, Fertigungszeit und Investition das optimale Ergebnis liefern. Dazu nutzen wir Basistechnologien, die entsprechend der geplanten Anwendung weiterentwickelt und optimiert werden:

  • Strahltechnologien
  • Lichtbogentechnologien
  • Widerstandsschweißtechnologien
  • Hybridtechnologien
  • Additive Manufacturing
  • Technologien für Mischverbindungen (Metalle, Nichtmetalle, Naturstoffe)
Entwicklung für neue Anwendungen

Fügetechnologien für E-Mobilität

Im Bereich der Mobilität findet aktuell ein unvergleichbarer Wandel statt. Ob Batterie- oder Wasserstofftechnologien: Bei allen Strategien steht die Fügetechnik vor besonderen Herausforderungen. Wir bieten neuartige Lösungen für Nichteisenmetallverbindungen (Kupfer, Aluminium) und können Forschungsaktivitäten für serienreife Prozesse im Bereiche der Brennstoffzelle und Wasserstoffspeicherung umsetzen.

Fügetechnologien für Leichtbaukonzepte

Unverändert ist der Leichtbau eine Schlüsseltechnologie, nun auch insbesondere in Verbindung mit der E-Mobilität. Wir können die Umsetzung verschiedenster Entwicklungen anbieten:

  • Fügetechnologien für Mischverbindungen
  • Fügetechnologien für FVK-Verbindungen
  • Technologien für neueste, zukunftsfähige Leichtbauwerkstoffe (Metall-Naturstoff-Verbunde)

ML und KI in der Fügetechnik

Aufgrund der komplexen Randbedingungen der Fügetechnologien haben Prozesse wie Maschinelles Lernen (ML) und Künstliche Intelligenz (KI) ein großes Potenzial. Insbesondere in Verbindung mit neuesten Inline-Nahtverfolgungs- und Nahtüberwachungssystemen (wie OCT-Systemen) ist es heute möglich, Wege in Richtung selbstoptimierender Systeme zu beschreiten.

Effizienz in der Fügetechnik

Zentrale Forderung in nahezu allen Produktionsbereichen ist höchste Produktqualität bei geringstmöglichen Kosten. Eine Bewertung der Prozesse sollte regelmäßig erfolgen:

  • Ganzheitliche Bewertung von Prozessketten
  • Bewertung und Vergleich von Fügetechnologien
  • Analyse neuester Entwicklungen
  • Entwicklung neuer Fügestrategien
Prozess und Bauteil – Analysieren, Modellieren, Optimieren

Prozessanalyse

Die Eigenschaften der Fügenähte werden von komplexen Prozesseinflussgrößen bestimmt. Zur Analyse, Modellierung und Optimierung eines Schweißprozesses nutzen wir modernste Verfahren und Methoden.

Prozesssimulation / Verzugssimulation

Die Schweißsimulation ist ein Standardwerkzeug, mit dem die Schweißverbindung inklusive der sich einstellenden metallurgischen Eigenschaften und Bauteilmaßhaltigkeit berechnet und optimiert werden kann. Unser Angebot umfasst:

  • Simulation des Laserstrahl-, Lichtbogen- und Widerstandspressschweißens
  • Ermittlung von Temperaturfeldern
  • Berechnung von Schweißverzügen und Eigenspannungen

Schadensanalyse

Fehlerhafte Schweißverbindungen sind eine häufige Schadens-ursache. In Schadensgutachten werden die Schadensmechanismen ermittelt und Reparaturkonzepte sowie Konzepte zur Schadensvermeidung erstellt.

Schweißgerechte Konstruktion

Die Bauteilkonstruktion legt die wichtigsten Randbedingungen für eine Bauteilfertigung und die späteren Bauteileigenschaften fest. Dabei haben Schweißverbindungen eine Schlüsselstellung. Unser Angebot umfasst:

  • CAD-Konstruktion (von der Konzeptphase bis zum Prototyp, Optimierung und Variantenvergleich)
  • Integration von Schweißverbindungen
  • Bemessung und Festigkeitsnachweis nach aktuellen Regelwerken und Richtlinien (DIN EN 1993 (EUROCODE 3), FKM-Richtlinie, IIW-Richtlinien) mit Nenn-, Struktur- und Kerbspannungskonzepten
  • Erstellung von Konstruktionsunterlagen und Prüfung (insbesondere bezüglich der Schweißausführung)

Bauteilsimulation und -optimierung

  • Vernetzung komplexer Strukturen (Kopplung CAD-FEM)
  • Beanspruchungssimulation (Verformungen, Spannungen)
  • Topologieoptimierung

Bauteil- und Materialeigenschaften

  • Kleinproben- und Bauteilprüfung
  • Mechanische und thermische Eigenschaften (Statische Festigkeit, Schwingfestigkeit, Crash-Verhalten)
  • Korrosionseigenschaften
  • Metallurgische Eigenschaften
  • Bestimmung und Bewertung von Nahtqualität / -güte
Prototyping – Von der Idee zur praktischen Umsetzung

Fertigungskonzepte und Strategien

  • Entwicklung spezifischer Fertigungskonzepte (auch Bewertung und Variantenvergleich)
  • Fügetechnologiescreening (systematischer Vergleich möglicher Fügestrategien)
  • Entwicklung, Bau und Test von Schweißvorrichtungen

Laborumsetzung und Forschungsfabrik

  • Virtuelle und reale Abbildung von Teilprozessen
  • Sensitivitätsanalysen
  • Prozessoptimierung

Prototypen und Testserien

  • Fertigungsstrategien für Prototypen
  • Konstruktion und Bau von Prototypenvorrichtungen
  • Herstellung seriennaher Prototypen
  • Analyse und Auswertung der Erfahrungen (Qualität, Maßhaltigkeit, Parameter, Besonderheiten) für die Serienumsetzung

Industrielle Umsetzung

  • Technologietransfer in das Unternehmen
  • Erstellung von Fertigungsunterlagen
  • Begleitung des Produktionsanlaufes mit Spezialisten
  • Vor-Ort-Schulungen
  • Externe Fertigungsüberwachung

Qualitätssicherung

Entwicklung und Umsetzung von ganzheitlichen Qualitätssicherungskonzepten (Inlineüberwachung jeder Schweißnaht, Dokumentation, selbstoptimierende Prozesse in Richtung Null-Fehler-Produktion).

Referenzprojekte

 

Laserstrahlschweißen der Laserklasse 1 im Fahrzeugbau

Nach aktuellem Stand der Technik erfolgt das Laserschweißen aus Gründen des Arbeitsschutzes in Laserschweißzellen. In enger Zusammenarbeit zwischen thyssenkrupp Automotive Body Solutions und dem Fraunhofer IWU wurde eine neuartige Lösung entwickelt, mit dem erstmals das kontinuierliche Laserschweißen ohne Nahtlängenbegrenzung außerhalb von Laserschweißzellen ermöglicht wird. 

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Laserschweißen da einsetzen, wo es bisher nicht möglich war

Das Laserstrahlschweißen kann zukünftig bei viel mehr Fügeprozessen in der Industrie eingesetzt werden als bisher. Dank eines Nahtverfolgungskonzepts für ein manuell bedienbares Laserhandschweißwerkzeug lassen sich die Vorteile der Lasermaterialbearbeitung auch im manuellen Bereich nutzen.

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Weitere Referenzprojekte

aus dem Bereich Thermisches Fügen

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