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Licht mit Zukunft: Photonische Werkzeuge für den Leichtbau

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) will das Thema Photonik aktiv vorantreiben. Dazu hat das Ministerium Anfang 2012 unter dem Titel "Photonik Forschung Deutschland - Licht mit Zukunft" ein Förderprogramm zur Photonik ins Leben gerufen, das eine klare Strategie für die Photonik-Forschung in den kommenden zehn Jahren verfolgt. Zudem stellt das BMBF für die nächsten vier Jahre jährlich zirka 100 Millionen Euro für verschiedene FuE-Verbundprojekte, die von Unternehmen zum Thema Photonik initiiert und koordiniert werden, zur Verfügung.

Dieses Programm bildet den Rahmen der Fördermaßnahme "Photonische Verfahren und Werkzeuge für den ressourceneffizienten Leichtbau", mit der das BMBF das Ziel verfolgt, bestehende Hemmnisse bei der breiten Einführung von Leichtbaumaterialien in die Großserienfertigung in der Automobil- und Luftfahrtindustrie durch die Nutzung photonischer Verfahren und Werkzeuge zu überwinden. Es geht dabei zum einen um Innovationen für bereits praktizierte Prozessschritte in der Fertigung bei Herstellern wie Ausrüstern. Gleichzeitig müssen aber auch kostengünstige, industrietaugliche Bearbeitungsverfahren und Fertigungskonzepte für derzeit in der Großserie noch nicht wirtschaftlich verarbeitbare Leichtbaumaterialien entwickelt werden. Beides gelingt nach Meinung des BMBF effizienter durch eine Vernetzung der Endanwender mit den Anlagenbauern, den Anbietern von Laser- und Systemtechnik und den Rohstoffherstellern.

Für die Großserienfertigung ist der Einsatz von photonischen Werkzeugen und Verfahren zur Bearbeitung von Leichtbaumaterialien aufgrund ihrer hohen Flexibilität und der berührungslosen, verschleißfreien Wirkungsweise des Lasers ein wichtiger Schritt. Zudem bietet die lokale und adaptierbare Energiedeposition vor allem für die Bearbeitung thermisch empfindlicher Werkstoffe und Werkstoffkombinationen neue Möglichkeiten. Der optischen Messtechnik und Sensorik wird viel Beachtung für ihre inlinefähigen, automatisierbaren Verfahren zur Werkstoffprüfung, Prozessüberwachung und Qualitätssicherung geschenkt.

Förderfähige Projekte

Im Zentrum der Fördermaßnahme stehen Werkzeuge und Verfahren zur Verarbeitung von Leichtbaumaterialien wie Verbundwerkstoffe (zum Beispiel faserverstärkte Kunststoffe (FVK), Metall-Kunststoff Hybridverbunde), Leichtmetalle (beispielsweise Aluminium, Titan, Magnesium) und hochfeste Stähle. Handlungsbedarf sieht das BMBF vor allem beim Trennen, Bohren, Strukturieren oder selektiven Abtragen auch thermisch empfindlicher Materialien - sowohl bei der Endbearbeitung von Leichtbauteilen als auch auf der Ebene von Halbzeugen (etwa Prepregs oder Faserhalbzeuge). Neben der Prozesstechnik, beispielsweise zum effizienten Aufschmelzen von Thermoplasten oder Aushärten von Duromersystemen, und der Realisierung spezifischer Oberflächenfunktionen zur Erweiterung des Einsatzspektrums, steht auch das Fügen von gleichen oder unterschiedlichen Leichtbauwerkstoffe zur Herstellung von Hybridbauteilen im Fokus des Förderprogramms.

Darüber hinaus will das BMBF neue, laserbasierte Prozesse wie etwa generative Verfahren zur Herstellung konventionell nicht herstell- oder bearbeitbarer Leichtbaumaterialien untersucht und etabliert sehen, sofern diese auf den wirtschaftlichen Einsatz in der Fertigung großer Stückzahlen abzielen.

Aus dem breiten Anwendungsspektrum der inlinefähigen Messtechniken ergibt sich laut Strategie der Forschungsbedarf an unterschiedlichen photonischen Systemen und deren Einbindung in industrielle Gesamtsysteme mit entsprechender Steuerung und Anlagentechnologie. Thematische Schwerpunkte der Forschungsaktivitäten, die vor allem auf die Umsetzung fokussieren sollen, können dabei unter anderem in der Nutzung von Laserbearbeitungs- und Plasmaverfahren zur Sicherstellung gleichbleibender Bauteilqualität, Verringerung des manuellen Aufwands, Verkürzung der Zykluszeiten oder der Nutzbarmachung recyclingfreundlicher Materialien stehen.

Beim Thema inlinefähige Messtechnik sieht das BMBF zum Beispiel die schnelle Erfassung geometrischer, physikalischer und chemischer Merkmale im Prozess und am fertigen Bauteil zur inline Prozessführung und Automation sowie für Qualitätssicherungsaufgaben von Herstell-, Füge- und Reparaturprozessen als förderfähig an. Ebenso denkbar wären Projekte zu den Themen schnelle Werkstoffprüfung (Erkennen von Delamination, Lunkern, Oberflächendefekten), Verfahren zur berührungsfreien Rissprüfung in CFK-Werkstücken oder Identifikation von Leichtbaumaterialien für Qualitätssicherung und Werkstoffrecycling.

Ein dritter strategischer Punkt in der Fördermaßnahme stellt die Systemtechnik dar. So sind die Erprobung von Laserquellen (multi-kW cw, Ultrakurzpulslaser) mit prozessangepassten Eigenschaften (Pulsdauer, Wellenlänge usw.) oder mobilen Laserbearbeitungssysteme genauso interessant für das Forschungsministerium wie die Strahlformung, -führung und -ablenkung sowie die Arbeitsplatzsicherheit.

Das Thema Simulation wird ebenso wenig außer Acht gelassen, so dass beispielsweise Projekte zu Simulationsverfahren im Rahmen der Erarbeitung effizienterer Bearbeitungsprozesse gefördert werden können. So wäre laut BMBF unter anderem die Kopplung fluiddynamischer und strukturmechanischer Simulationsmodelle zur effizienteren Beschreibung der Laserprozesse oder die Erweiterung der strukturmechanischen Schweißsimulationsmodelle auf Mischverbindungen artgleicher sowie artfremder Fügepartner eine Betrachtung wert.

Hintergrund: Von der Initiative Photonik 2020 zum Förderprogramm

Der Weg zum neuen BMBF-Förderprogramm begann auf der Laser World of Photonics 2009 in München. Die "Initiative Photonik 2020", zu der sich führende Repräsentanten aus Wissenschaft und Wirtschaft zusammen geschlossen hatten, präsentierte am 15. Juni 2009 der Öffentlichkeit das "Memorandum Photonik 2020 - Lösungen aus Licht". Die Initiative forderte die Fortsetzung des gemeinsamen Vorgehens von Wirtschaft, Wissenschaft und Politik. Im März 2010 startete die Branche mit Unterstützung des Bildungs- und Forschungsministeriums einen industriegeführten Strategieprozess in Berlin. In mehreren Workshops wurde gemeinsam eine verbindliche Strategie erarbeitet und die Leitlinien zur Forschung und Entwicklung der Photonik in Deutschland für die nächsten Jahre festgelegt.

Die Ergebnisse der Workshops wurden in den anschließenden Monaten vom Programmausschuss Optische Technologien in der "Agenda Photonik 2020" zusammengetragen, die am 30. November 2010 schließlich an die Bundesministerin für Bildung und Forschung, Professor Dr. Anette Schavan, überreicht wurde. Das BMBF wertete die Agenda auf staatlichen Handlungsbedarf hin aus und erarbeitete das neue Förderprogramm "Photonik Forschung Deutschland".

(Foto: Trumpf GmbH) Metadaten anzeigen: Autor verbergen | Schlagworte