FOKUS: LASERSCHWEISSEN

30 LTJ März 2008 Nr. 2 © 2008 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Hochleistungfaserlaser im SchiffbauNeue Anwendungen etablieren sich in Europas Werften

ULF JASNAUDipl.-Ing. (IWE) Ulf Jas-nau, geb. 1968, Studium des Maschinenbaus mit der Vertiefung Werkstoff- und Schweißtechnik an der Universität Ro-stock. Im Jahr 2000 Beginn der Tätigkeit im Bereich Forschung und Entwicklung an der Schweißtechnischen Lehr- und Versuchsan-stalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH als Projektingenieur. Im Jahr 2004 übernahm er die Leitung der Forschung und Entwick-lung.

DER AUTOREN

RAINER GAEDEDipl.-Ing. Rainer Ga-ede, geb. 1956, Stu-dium an der Universität Rostock Fachrichtung Schiffbautechnologie mit der Vertiefung Schweißtechnik. Beginn der Tätigkeit als Entwicklungstechnologe in der Abteilung Schweißtechnik des Rationalisierungszen-trums Schiffbau. Seit 1990 in verschiedenen Funktionen der Ingenieurtechnik und Ma-schinenbau GmbH Rostock. Seit 1999 Leiter Vertrieb der IMG.

Die Vorteile von Festkörperlasern für den Schiffbau und für ähnliche Branchen, die durch die Herstellung von Großstruk-turen geprägt sind, werden schon seit längerem untersucht. Wesentliche Grund-lagen für den Einsatz solcher Strahlquel-len auf Werften wurden in Rostock erar-beitet. Von dort ging auch der Impuls für den weltweit ersten Einsatz von Festkör-perlasern in der Fertigung einer Werft aus: Seit November 2006 wird ein Hoch-leistungsfaserlaser mit einer Leistung von 6 kW auf der Aker Werft in Turku, Finn-land, zum Verschweißen von Blechen zu Paneelen mit dem Laser-MSG-Hybrid-schweißen eingesetzt.

Damit wurde weltweit erstmalig ein Hoch-leistungsfestkörperlaser vollständig in die tägliche schiffbauliche Fertigung einer Werft eingegliedert und somit ein großer Meilen-stein bei der Integration von Festkörperlaser-quellen in den Schiffbau erreicht. Sowohl die IMG Rostock als Hauptauftragnehmer für die Realisierung dieser Anwendung als auch die SLV M-V, Unterauftragnehmer und verant-wortlich für Prozessentwicklung und Fragen der Lasersicherheit konnten dabei auf Erfah-rungen aus verschiedenen Projekten zum Einsatz von Festkörperlasern im Schiffbau zurückgreifen.

Festkörperlaser im Schiffbau – die Idee

Mit den bereits seit längerem verfügbaren Nd:YAG-Laserquellen mit Leistungen über 4 kW bei akzeptablen Strahlqualitäten war Ende der Neunziger Jahre des letzten Jahr-hunderts eine grundlegende Vorausset-zung für den Einsatz von Festkörperlasern im Schiffbau erfüllt. Darüber hinaus war die Übertragbarkeit der Laserstrahlung mit flexiblen Lichtleitfasern und die damit ver-bundene leichte „Handhabung“ des Werk-zeuges Laserstrahl im Vergleich zu den lei-

●●Dipl.-Ing. (IWE) Ulf Jasnau

Leiter Forschung und EntwicklungSchweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt

Mecklenburg-Vorpommern GmbHAlter Hafen Süd 4

18069 RostockTel.: +49 (0)381/811-5026Fax: +49(0)381/811-5099

E-Mail: jasnau@slv-rostock.deWebsite: www.slv-rostock.de

●●Dipl.-Ing. Rainer Gaede

Leiter VertriebIngenieurtechnik & Maschinenbau GmbH

Industriestraße 8 18069 Rostock

Tel.: +49 (0) 381 79 30Fax: +49 (0) 381 71 21 89E-Mail: info@img-tech.de

Website: www.img-tech.de

ABBILDUNG 1: Der Prototyp der weltweit ersten mit Festkörperlasertechnik nachge-rüsteten Einseitenschweißstation auf der Aker Werft in Rostock-Warnemünde. Links: Gesamtansicht des Fahrwagens mit Bearbeitungsköpfen für das -Unter-Pulver- und das Laser-MSG-Hybridschweißen. Rechts: Detailansicht Laser-MSG-Hybridschweißkopf mit Optikmodul für 2 Lichtleitfaserstecker

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Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH (SLV M-V) Rostock

Die SLV M-V realisiert individuell die Einführung und Weiterentwicklung von Schweißverfahren bzw. Schweißtech-nologien sowie anderer thermischer Verfahren aus Sicht des Kunden. Neben den konventionellen Verfahren stehen seit Gründung der SLV M-V laserbasierte Verfahren im Mittelpunkt der Arbeiten. Kurz- und mittelfristig sind das Laser-strahlhybridschweißen und die mobile Anwendung von Lasertechnologien der Schwerpunkt unserer Tätigkeiten.Durch die Kombination der Kompe-tenzen aller Bereiche der SLV M-V kann dem Kunden ein individuelles Nutzen-bündel zur Verfügung gestellt werden, dass einen hohen praktischen Nutzen hinsichtlich der Qualitätsverbesserung von Prozessen und Produkten sowie der Kostensenkung in der Produktion ver-spricht. www.slv-rostock.de

DIE FIRMA

stungsstärkeren CO2-Lasern ein Grund für das verstärkte Interesse am Einsatz von Fest-körperlasern im Schiffbau. Mit dem Laser-MSG-Hybridschweißen existiert außerdem ein laserbasiertes Fügeverfahren, das unter den spezifischen Randbedingungen der schiffbaulichen Fertigung die Vorteile der Lasertechnik auch für den Schiffbau nutzbar machen kann.

Ausgehend von den genannten Gesichts-punkten initiierte die Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH seit 1999 mehrere Projekte zur Aus- und Nachrüstung von schweißtechnischen Geräteträgern mit Hy-bridschweißtechnik auf Basis von Festkör-perlasern im Schiffbau.

Im Zuge dieser Projekte wurde auf der Aker Werft in Rostock-Warnemünde gemeinsam mit der IMG Rostock in den Jahren 2003 und 2004 erstmals eine Einseitenschweißstation mit 2 diodengepumpten Nd:YAG-Lasern mit jeweils 4 kW Leistung des Herstellers Ro-fin Sinar nachgerüstet (siehe Abbildung 1). Durch die gleichzeitige Abbildung beider Laserstrahlen auf dem Werkstück mit einer speziellen Optik standen für das hier ange-wandte Laser-MSG-Hybridschweißen 8 kW Laserleistung am Werkstück in einem Brenn-fleck zur Verfügung.

Mit diesem System wurden umfangreiche Untersuchungen zum Schweißprozess und zur organisatorischen und sicherheitstech-nischen Integration von Festkörperlasern in die Arbeitsabläufe auf einer Werft durchge-führt.

Hochleistungsfaserlaser – der Durchbruch für Festkörperlaser im Schiffbau

Mit dem weltweit ersten 10 kW Faserlaser (Abbildung 2), der im August 2004 an der SLV Mecklenburg-Vorpommern in Betrieb genommen wurde, erreichte eine rasante Entwicklung bei der Leistungssteigerung im Bereich der Faserlaser eine neue Dimension. Im Laufe des darauf folgenden Jahres wur-den an der SLV Mecklenburg-Vorpommern mit dieser Laserquelle verschiedene Applika-tionsuntersuchungen für die Industrie, ins-besondere für den Schiffbau, durchgeführt.

An einer herkömmlichen Einseiten-schweißstation, welche bei der IMG in Ro-stock für einen Kunden zur Auslieferung bereitstand, wurde im Sommer 2005 die

Ausrüstung eines solchen Geräteträgers mit dem 10 kW Faserlaser im Rahmen eines Workshops demonstriert (Abbildung 3). Es wurden dabei Bleche mit Dicken von 6 bis 10 mm mit einer Länge von bis zu 12 Me-tern mit dem Laser-MSG-Hybridschweißen verschweißt. Die dabei realisierten geringen Streckenenergien machten das Potential der Lasertechnik in Verbindung mit herkömm-licher Anlagentechnik deutlich.

In Folge dieser Demonstrationen und der bisherigen Erfahrungen der SLV M-V bei an-deren Applikationen entschlossen sich die ersten Werften zu weitergehenden Unter-suchungen bzw. zu Investitionen in Systeme mit Hochleistungsfestkörperlasern.

Als erste Werft investierte die finnische Aker Werft in Turku in einen Hochleistungsfa-serlaser. Hier erfolgte im Jahr 2006 durch die IMG und die SLV M-V die Nachrüstung einer Einseitenschweißstation zum Unter-Pulver-Schweißen mit einem zusätzlichen Fahrwa-gen für das Laser-MSG-Hybridschweißen (Abbildung 4). Ein 6 kW Faserlaser dient hier der Herstellung von flachen Paneelen aus Blechen mit Dicken zwischen 5 und 10 mm. Eine spezielle gefräste Nahtvorberei-tung stellt sicher, dass mit der begrenzten Laserleistung alle Blechdicken im genannten Bereich sicher verschweißt werden können.

Seit November 2006 besitzt die Werft die Zulassung der Klassifikationsgesellschaft „DNV - Det Norske Veritas“ für das neue Schweißverfahren und wendet es in der Fertigung der größten Kreuzfahrtschiffe der Welt an.

Mit der Beschaffung einer neuen Pa-neellinie an ihrem Standort Monfalcone entschloss sich auch die italienische Werft Fincantieri im Jahr 2007 zu einer Investition in Lasertechnik. Der Generalauftrag für die gesamte Paneellinie wird von der IMG Ro-stock ausgeführt. In Monfalcone wird ein

ABBILDUNG 2: Weltweit erster 10 kW Faserlaser während der Inbetriebnahme an der SLV M-V.

ABBILDUNG 3: Demonstration des Laser-MSG-Hybridschweißens mit 10 kW Faserlaser auf einer herkömmlichen Einseitenschweißstation. Links: Schweißportal mit hydrau-lischer Spanntechnik für das Einseitenschweißen von Blechen. Rechts: Seitlicher Blick auf den Hybridschweißprozeß und die Pratzen zum Festspannen des Bleches während des Schweißens

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10 kW Faserlaser in einer neuen Einseiten-schweißstation eingesetzt (Abbildung 5). Ziel ist es, das gesamte Blechdickenspek-trum von 5 mm bis zu 20 mm laserbasiert zu verschweißen. Auch hier fällt allerdings, typisch für eine Werft mit dem Produktspek-trum Kreuzfahrtschiffe, der größte Anteil von Schweißaufgaben im Blechdickenbe-reich von 5 mm bis 12 mm an.

Zukünftige Anwendungen von Hochleistungsfestkörperlasern im SchiffbauMittlerweile steht mit dem Scheibenlaser auch im Leistungsbereich oberhalb von 8 kW eine Alternative zum Faserlaser zur Verfügung. Gewinner dieser technischen Entwicklung wird der Endkunde und Laser-nutzer sein, dem jetzt noch besser ein auf seine speziellen Bedürfnisse abgestimmtes Leistungspaket „Lasertechnik“ angeboten werden kann.

In mehrmonatigen praktischen Tests, so-wohl an der SLV M-V als auch bei der IMG wurden mit einem 8 kW Scheibenlaser eben-falls gute Erfahrungen gemacht.

Insbesondere mit Blick auf zukünftige Anwendungen ist die Verfügbarkeit meh-rerer geeigneter Laserquellen hilfreich für Investitionsentscheidungen in einem durch wachsenden Wettbewerb geprägten Schiff-baumarkt. Die Erhöhung der Qualität in der Schiffskörperfertigung bei steigendem Ko-stendruck ist eine Herausforderung für den europäischen Schiffbau in den nächsten Jahren. Die Auslastung von teuren Investiti-onsgütern wie z.B. Laserquellen muss auch in einer typischen Einzel- und Kleinserienfer-tigung verbessert werden. Dazu müssen die Vorteile der Lasertechnik in der Bearbeitung dreidimensionaler Strukturen im Schiffbau genutzt werden. Vor diesem Hintergrund sind mehrere Forschungsprojekte initiiert worden.

Forschungsprojekte zum Lasereinsatz im Schiffbau

Im europäischen Projekt DOCKLASER wur-den unter Beteiligung der SLV M-V von 2002 bis 2006 die Grundlagen für einen mobilen Einsatz von Festkörperlasern im Schiffbau er-arbeitet. Durch das Projekt wurde außerdem die Akzeptanz der Festkörperlaser auf euro-päischen Werften entscheidend erhöht.

Im so genannten PALAS-Projekt der Meyer Werft in Papenburg wird das Laser-MSG-Hybridschweißen dreidimensionaler Struk-turen mittels stationärer Robotertechnik entwickelt. Besondere Herausforderungen stellen hier die Bahn- und Prozesssteuerung

Rostock

Als Systemlieferant der Schiffbau-, Maschi-nenbau- und Stahlbauindustrie gehört die IMG heute zu den führenden Ausrüstern der Welt.Das Unternehmen war einer der Haupt-partner bei der Modernisierung der Werften an der deutschen Ostseeküste, entwickelt zusammen mit den Schiffbau-betrieben neue Werftkonzepte und lieferte den größten Teil der neuen Ausrüstungen.Auf diesen Erfahrungen aufbauend haben wir seit Mitte der neunziger Jahre Unter-nehmen überall auf der Welt mit unseren hochleistungsfähigen Produktionsanla-gen ausgerüstet.

Die Ingenieurtechnik und Maschinenbau GmbH liefert innovative, optimal auf den Bedarf des Kunden zugeschnittene Ferti-gungslinien unterschiedlicher Mechani-sierungs- und Automatisierungsgrade.Ver-fahrensentwicklungen für den Schiffbau, wie im Bereich des UP-Einseitenschwei-ßens, dem Laserstrahlhybridschweißen oder dem MAG-Tandem-Schweißen ge-hören dazu.Gemeinsam mit den wissenschaftlichen Einrichtungen werden neue Technologien in die Praxis umgesetzt.

www.img-tech.de

DIE FIRMA

ABBILDUNG 4: Erste Fertigungs schweißungen auf der nachgerüsteten Anlage der Aker Werft in Turku. Links: Fertige Verbindung nach dem Ausfördern des Bleches aus der Anlage. Rechts: Fertige Verbindung in der Anlage vor dem Ausfördern, Spannpratzen gerade gelöst

Ingenieurtechnik und Maschinenbau GmbH (IMG)

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bei wechselnden Schweißpositionen dar.In einem Verbundprojekt zur Untersu-

chung neuer Hochleistungstechnologien zum Fügen im Schiffbau werden durch die SLV M-V und die Rostocker Aker Werft die Grundlagen für das mechanisierte, trakto-rbasierte Laserschneiden und Laser-MSG-Hybridschweißen in der Block- und Dock-montage entwickelt. Im Zuge des Projektes entsteht gegenwärtig der Prototyp eines Schweißtraktors für das Schneiden und Schweißen mit Festkörperlasern in Zwangs-position an der Schiffsaußenhaut.

Einer kurz- bis mittelfristig zu erwar-tenden Herausforderung stellt sich ein wei-teres maritimes Verbundprojekt unter Be-teiligung der SLV M-V. Neue Regularien der IMO – International Maritime Organisation – fordern die Sicherstellung und den Nach-weis der Beschichtungsqualität so genann-ter freier Kanten am Schiffskörper. Dazu wird mittelfristig das Runden oder Brechen jeder freien Blechkante im Schiffskörper er-forderlich sein. Dies geschieht gegenwärtig ausschließlich durch manuelle Nacharbeit mittels Winkelschleifer. Bei mehr als 40.000 Metern freier Kanten in einem typischen Kreuzfahrtschiff wird die Herausforde-rung an die Fertigungskosten und Qualität deutlich. Im Projekt werden verschiedene thermische Werkzeuge, darunter auch der Hochleistungsfestkörperlaser, für die Bear-beitung von Kanten untersucht.

Die drei letztgenannten Projekte werden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über den Projektträger Jü-lich gefördert. Dafür sei herzlich gedankt.

Fazit und Ausblick

An den bisher realisierten Anwendungen von Hochleistungsfestkörperlasern im Schiffbau wird deutlich, dass diese auch an Großstrukturen sinnvoll und wirtschaftlich eingesetzt werden können. Der Durchbruch für Festkörperlaser im Schiffbau gelang mit den Hochleistungsfaserlasern des Herstellers IPG. Diese haben in den vergangenen 3 Jah-ren im Schiffbau ihre Einsatzfähigkeit unter Beweis gestellt. Mittlerweile ist ein stetig wachsendes Interesse an Festkörperlasern hoher Leistung im europäischen Schiffbau zu verzeichnen.

Durch die Erweiterung der Anwendungs-möglichkeiten von Festkörperlasern in ver-schiedenen Projekten kann sich der europä-ische Schiffbau Vorteile hinsichtlich Kosten und Qualität bei der Schiffskörperfertigung nutzbar machen.

Die Erfahrungen aus den Forschungspro-jekten und dem laufenden Betrieb in den Werften werden zu einer Erweiterung der Einsatzfälle an stationären Anlagen sowohl für zwei- als auch für dreidimensionale An-wendungen führen. Daneben eröffnet die durch die Festkörperlaser mögliche Mobili-tät des Werkzeuges LASER im Schiffbau neue Perspektiven. Leicht zu transportierende, zu handhabende und zu adaptierende La-ser-Werkzeuge in Verbindung mit mechani-sierten Geräteträgern sind ein Ziel, an dem nicht nur im Schiffbau gearbeitet wird. Mitt-lerweile gibt es ein starkes Interesse aus an-deren Branchen (z.B. der Rohrfertigung) an solchen Lösungen.

ABBILDUNG 5: Paneellinie während der Installation in Monfalcone, im Vordergrund die Einseitenschweißstation zur Herstellung von Stumpfnähten zwischen einzelnen Blechen