Ilmenau: Forscher reduzieren Materialverlust beim Laserschweißen um über 90 Prozent
Neue Technik für die Industrie
Ilmenau. Ein Forschungsteam der Technischen Universität Ilmenau hat ein Verfahren entwickelt, das den Materialverlust durch Metallspritzer beim Laserschweißen um mehr als 90 Prozent reduziert. Für diese Leistung wurden Professor Jean Pierre Bergmann und seine Mitarbeiter mit dem Thüringer Forschungspreis 2026 in der Kategorie „Angewandte Forschung“ ausgezeichnet. Die Ergebnisse könnten insbesondere Unternehmen aus der Automobilindustrie, der Medizintechnik und dem Maschinenbau helfen, Produktionskosten zu senken und Material einzusparen.
Metallspritzer verursachen hohe Kosten in der Produktion
Das Schweißen mit Hochleistungslasern gehört zu den wichtigen Fertigungsverfahren der modernen Industrie. Mit konzentriertem Laserlicht können Metalle schnell und präzise miteinander verbunden werden.
Dabei entsteht jedoch ein technisches Problem: Je schneller der Schweißvorgang abläuft, desto häufiger können kleine Mengen flüssigen Metalls aus dem Schmelzbad herausgeschleudert werden.
Diese sogenannten Spritzer beschädigen die Oberfläche des Werkstücks und verursachen Materialverluste. In vielen Fällen müssen die betroffenen Bauteile anschließend aufwendig nachbearbeitet werden.
Besonders für Unternehmen, die große Stückzahlen fertigen, kann dies erhebliche Kosten verursachen.
Das Forschungsteam um Professor Jean Pierre Bergmann, Leiter des Fachgebiets Fertigungstechnik an der TU Ilmenau, beschäftigte sich deshalb mit der Frage, wie sich die Spritzerbildung beim Hochleistungslaserschweißen gezielt verhindern lässt.
Forscher durchleuchten Metall mit extrem starker Röntgenstrahlung
Um die Ursachen der Spritzerbildung zu verstehen, mussten die Wissenschaftler zunächst untersuchen, was während des Schweißvorgangs im Inneren des Metalls geschieht.
Dafür nutzten sie Hochgeschwindigkeitskameras, digitale Bildverarbeitung und computergestützte Simulationen.
Eine entscheidende Rolle spielte außerdem die European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) im französischen Grenoble.
Die dortige Forschungsanlage erzeugt extrem intensive Röntgenstrahlung. Damit lassen sich selbst schnelle Veränderungen im Inneren von Materialien sichtbar machen.
Den Forschern gelang es, die Vorgänge innerhalb einer sogenannten Dampfkapillare zu beobachten. Dabei handelt es sich um einen schmalen, mit Metalldampf gefüllten Kanal, der beim Tiefschweißen mit dem Laser entsteht.
Die Aufnahmen zeigten, dass Metallspritzer durch das Zusammenspiel mehrerer Vorgänge verursacht werden.
Dazu gehören Bewegungen im flüssigen Metall, entweichender Metalldampf und instabile Veränderungen der Dampfkapillare.
Aus diesen Beobachtungen entwickelten die Wissenschaftler ein computergestütztes Modell, mit dem sich die Entstehung der Spritzer genauer beschreiben lässt.
Veränderte Laserstrahlen verhindern Materialverlust
Auf Grundlage ihrer Untersuchungen entwickelte das Team neue Möglichkeiten, den Schweißprozess zu stabilisieren.
Ein wichtiger Ansatz besteht darin, die Form des Laserstrahls gezielt zu verändern.
Durch speziell angepasste Strahlprofile lassen sich die Bewegungen des flüssigen Metalls verlangsamen. Gleichzeitig kann der entstehende Metalldampf leichter entweichen.
Die Forscher optimierten außerdem die Position von Gasdüsen. Durch die gezielte Wechselwirkung zwischen Gasströmung und Metallschmelze wird die Bildung von Spritzern zusätzlich verringert.
Mit dieser Kombination gelang es, den spritzerbedingten Materialverlust um mehr als 90 Prozent zu reduzieren.
Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Qualität von Laserschweißverbindungen verbessern lässt, ohne allein auf eine Verringerung der Fertigungsgeschwindigkeit setzen zu müssen.
Wirtschaftlicher Nutzen für Thüringer Unternehmen
Die Forschungsergebnisse sind besonders für die industrielle Fertigung von Bedeutung.
Weniger Metallspritzer bedeuten geringeren Materialverlust, weniger Nacharbeit und eine niedrigere Ausschussquote.
Für kleine und mittlere Unternehmen können solche Verbesserungen entscheidend sein, weil zusätzliche Bearbeitungsschritte Zeit und Geld kosten.
In Thüringen ist die Photonikindustrie ein wichtiger Wirtschaftszweig. Nach Angaben der TU Ilmenau umfasst die Branche rund 195 Unternehmen mit einem Jahresumsatz von etwa vier Milliarden Euro.
In Industrie und Forschung sind dort nahezu 20.000 Menschen beschäftigt.
Die Region verfügt über eine hohe Konzentration von Unternehmen und Forschungseinrichtungen aus den Bereichen Optik, Lasertechnik, Präzisionstechnologie und Fertigungstechnik.
Die Entwicklung aus Ilmenau könnte dazu beitragen, die Wettbewerbsfähigkeit dieser Unternehmen zu stärken.
Forschungsergebnisse bereits patentiert
Die Wissenschaftler haben ihre Erkenntnisse bereits in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht.
Darüber hinaus wurde aus den Forschungsarbeiten eine Patentanmeldung beziehungsweise ein Patent abgeleitet, das die technische Nutzung der entwickelten Verfahren absichern soll.
Damit stehen die Ergebnisse grundsätzlich für eine Weiterentwicklung in industriellen Anwendungen zur Verfügung.
Die Forschung zeigt zugleich, welche Bedeutung die Zusammenarbeit verschiedener wissenschaftlicher Disziplinen für die moderne Produktion besitzt.
Erst durch die Verbindung von Lasertechnik, Materialforschung, hochauflösenden Untersuchungsverfahren und Computersimulationen konnte das Team die Ursachen der Spritzerbildung umfassend untersuchen.
Thüringer Forschungspreis würdigt angewandte Wissenschaft
Für die Entwicklung erhielt Professor Jean Pierre Bergmann gemeinsam mit seinem Forschungsteam den Thüringer Forschungspreis 2026 in der Kategorie „Angewandte Forschung“.
Der Freistaat vergibt die Auszeichnung seit 1995. Geehrt werden wissenschaftliche Leistungen in den Bereichen Grundlagenforschung und angewandte Forschung.
Über die Vergabe entscheidet ein unabhängiger Auswahlausschuss aus Wissenschaftlern und Vertretern der forschenden Wirtschaft.
Die ausgezeichnete Entwicklung aus Ilmenau verbindet wissenschaftliche Erkenntnisse mit einem konkreten industriellen Nutzen.
Für die TU Ilmenau ist die Auszeichnung zugleich eine Anerkennung ihrer Forschungsarbeit im Bereich moderner Fertigungsverfahren.
