Funken, Spritzer, Ausschuss: Beim Schweißen mit Hochleistungslasern geht nicht nur Material verloren, sondern oft auch viel Zeit und Geld. Ein Forschungsteam um Prof. Jean Pierre Bergmann und Dr. Leander Schmidt von der Ilmenauer Fertigungstechnik wollte genauer verstehen, was hinter der unerwünschten Spritzerbildung steckt und ist den entscheidenden Mechanismen auf die Spur gekommen. Das Ergebnis: Der Masseverlust lässt sich um mehr als 90 Prozent reduzieren. Dafür wurde das Team nun mit dem Thüringer Forschungspreis 2026 in der Kategorie „Angewandte Forschung“ ausgezeichnet.
Forschung
Thüringer Forschungspreisträger: “Wir haben eine Herausforderung aus der Praxis in die akademische Welt zurückgeholt“
Im Gespräch mit UNIonline erläutert Professor Bergmann, warum der Erfolg auf langjähriger „anwendungsmotivierter Grundlagenforschung“ beruht, welche Rolle internationale Spitzentechnologien dabei spielten und weshalb die Forschung gerade für Thüringen von besonderer Bedeutung ist: für Anlagen- und Systemtechnikhersteller und den Automobilbau ebenso wie für Endanwendungen – vom Behälterbau über Inneneinrichtungen bis hin zum Thüringer Grillrost.
Herr Professor Bergmann, herzlichen Glückwunsch zum Thüringer Forschungspreis 2026! Was bedeutet diese Auszeichnung für Sie und Ihr Team?
Diese Auszeichnung hat mehrere Bedeutungen. Zum einen stellen wir fest, dass Fertigung und Schweißen häufig als bestehende Technologien in der Öffentlichkeit wahrgenommen werden. Fakt ist jedoch, dass dahinter immer noch ein hoher Forschungsaufwand steckt, da die Implementierung in der Industrie häufig schneller als die Forschung erfolgte. Zum anderen ist diese Auszeichnung eine Würdigung der Leistungen in der letzten Dekade in Ilmenau. Mitglieder des ausgezeichneten Teams konnten sich hier weiterqualifizieren und ihren Weg in die Forschung und in die Industrie finden.
Ausgezeichnet wurde Ihre Forschung zum Hochleistungslaserschweißen. Für Leserinnen und Leser, die nicht täglich mit Fertigungstechnik zu tun haben: Welches Problem wollten Sie konkret lösen?
Wir erkennen häufig das Schweißen in Videos oder Bildern in den Tagesnachrichten an einem Funkenflug. Es muss für die öffentliche Wahrnehmung leuchten und „sprudeln“. In Wahrheit wollen wir das jedoch gar nicht, denn dieses „Sprudeln“ setzt sich aus kleinen Schmelzpartikeln zusammen, die aus dem beim Schweißen erzeugten Schmelzbad entstehen und in die Umgebung geschleudert werden. Damit verlieren wir zum einen Material und zum anderen haften diese Partikel auf der Bauteiloberfläche und bilden sogenannte „Schweißperlen“.
Beides ist nachteilig, denn zum einen fehlt dann Material und somit wird die Belastbarkeit gesenkt. Zum anderen müssen diese „Schweißperlen“ aufwendig beseitigt werden. Mit unserer Forschung konnten wir die Bildung von Schmelzpartikeln senken und insbesondere tiefergehend verstehen.
Ihrem Team ist es gelungen, den durch Spritzer verursachten Masseverlust um über 90 Prozent zu reduzieren. Was bedeutet das ganz praktisch für Unternehmen?
Für die Unternehmen heißt das weniger Nacharbeit und höhere Freiheit in der Umsetzung des Laserstrahlschweißens. Anlass für die Forschungsarbeiten war damals die Beobachtung, dass die Spritzerbildung bei zunehmender Schweißgeschwindigkeit von mehr als 10 m/min überproportional zunahm. Somit waren faktisch hohe Schweißgeschwindigkeiten kaum umsetzbar oder nur mit einem sehr hohen Nachbearbeitungsaufwand. Mit den gewonnenen Erkenntnissen ist es nun gelungen, die Bedingungen für höhere Schweißgeschwindigkeiten und geringere Spritzerbildung einzustellen und zu verstehen.
„Der Ingenieur beobachtet, hört, riecht und berührt"
Ihre Auszeichnung fällt in die Kategorie „Angewandte Forschung“. Gleichzeitig zeigt Ihr Projekt sehr deutlich, dass eine solche Anwendung ohne tiefes wissenschaftliches Verständnis kaum möglich wäre. Wie eng hängen Grundlagenforschung und Anwendung in Ihrer Arbeit zusammen?
Die Laudatio des Jury-Vorsitzenden war hier eindeutig und spiegelt im Kern das Vorgehen. Wir haben eine Herausforderung oder Problemstellung aus der Praxis aufgegriffen und diese in die akademische Welt zurückgeholt.
Wir sind im ersten Schritt der Lösung nachgegangen und im zweiten Schritt in die Grundlagen zurück, um das Auftreten dieses Phänomens zu verstehen, um so die Lösung auch erklären zu können.
Der Ingenieur und insbesondere der Fertigungstechniker arbeitet in der Regel multidisziplinär und „multisensoriell“. Er beobachtet, er hört, er riecht, zum Beispiel Emissionen im Umgebungsumfeld, und er berührt. Aus der Zusammenführung dieser Wahrnehmungen mit seinen physikalischen und mathematischen Kompetenzen formuliert er damit seine Arbeitshypothese. Hier zeigt sich die Kreativität und das wissenschaftliche Geschick.
Die Arbeiten liegen damit stark in den Grundlagen verwurzelt. Ich würde mich daher häufig deutlich besser mit dem Begriff „Anwendungsmotivierte Grundlagenforschung“ anfreunden. Um die experimentellen Ergebnisse zu bewerten und zu deuten, haben wir mehrere Versuchskampagnen an der multinationalen Großforschungseinrichtung European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble durchgeführt, neue Auswertungsmethoden erprobt und somit eindeutig erklären können, unter welchen Bedingungen Spritzer entstehen. Spritzer sind jedoch nur das Ergebnis der Strömungen während des Laserstrahlschweißens, das heißt wir beeinflussen mit den erarbeiteten Lösungen die Schmelzeströmungsbedingungen und den Energieeintrag.
Das heißt die eigentliche Innovation begann mit der Frage, was physikalisch im Inneren des Werkstücks überhaupt passiert?
Eindeutig ja, mit der Frage: Was passiert im sogenannten „Keyhole“ im Material? Als „Keyhole“ bezeichnet man einen Kanal im Material, der durch die hohe Leistung des Laserstrahls gebildet wird und in dem Metalldampf mit der umliegenden Schmelze wechselwirkt.
Warum war es wissenschaftlich so herausfordernd, diese Vorgänge sichtbar und verstehbar zu machen?
Diese Vorgänge spielen sich in der Werkstoffdicke in Bruchteilen einer Millisekunde ab und sind auf sehr kleine Bereiche begrenzt. Daher muss die Probe während der Bearbeitung durchstrahlt werden und die Aufnahmen müssen mit einem hohen Kontrast bei einer hohen Frequenz aufgenommen werden. Diese Bedingungen liegen jedoch nur an wenigen Synchrotron-Anlagen vor.
Hat man die experimentellen Untersuchungen durchgeführt, müssen die Videos bewertet und bearbeitet werden, um beispielsweise die sich im Kilohertz-Bereich, das heißt sich mit einer Frequenz von mehreren tausend Änderungen pro Sekunde, ändernde Geometrie des „Keyholes“ zu verfolgen und mit den jeweiligen Prozessbedingungen in Zusammenhang zu bringen. Die Auswertung hat uns lange beschäftigt. Zu Beginn haben wir mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen von außen begonnen und bereits Effekte erkennen und beispielweise die Änderung der „Keyhole“-Öffnung beschreiben können. Wir haben aber gemerkt, dass es nicht ausreichend war, daher sind wir den nächsten Schritt gegangen.
Was war der Moment, in dem Sie gemerkt haben: Jetzt verstehen wir den Mechanismus der Spritzerbildung wirklich?
Aus dem Bauch und aus der Ingenierwahrnehmung heraus hatten wir bereits zu Beginn einen Ansatz und eine Idee, wie der Zusammenhang hätte sein können. Diesen konnten wir aber noch nicht nachweisen. Indirekt bestätigte sich unser Bauchgefühl zum Ende des ersten öffentlich geförderten Vorhabens. Durch die Untersuchungen am Synchrotron ist alles klarer geworden und damit wurde unser Verständnis vervollständigt.
„Ausgezeichnete Studierende und ein wissenschaftliches und industrielles Netzwerk”
Sie haben dafür mit Hochgeschwindigkeitskameras, Bildverarbeitung, Simulationen und sogar mit Synchrotron-Strahlung in Grenoble gearbeitet. Was hat diese Kombination von Methoden möglich gemacht?
Die Kombination hat sich aus den unterschiedlichen Facetten der Problemstellung ergeben und hat uns vor die Herausforderung gestellt, den laufenden Prozess aus mehreren Ansichten zu betrachten. Dafür haben wir uns mehrerer Methoden bedient. Möglich wurde es durch die bestehende Anlagentechnik an der TU Ilmenau, durch die ausgezeichnete Ausbildung unserer Studierenden, die dann Team-Mitglied waren, und durch das wissenschaftliche und insbesondere industrielle Netzwerk. Unternehmen, auch untereinander konkurrierende Unternehmen, haben die Arbeiten die gesamte Zeit über unterstützt. Einzelne Unternehmen haben uns in Grenoble begleitet, Versuche mit uns durchgeführt und Anlagensysteme zeitweise beigesteuert.
Was konnten Sie dadurch sehen oder modellieren, was vorher nicht zugänglich war?
Durch das „Keyhole“ zu strahlen, ist zwar vereinzelt möglich, der hohe Kontrast und die hohe zeitliche Auflösung in unseren Untersuchungen war jedoch einmalig für das Laserstrahlschweißen. Wir konnten eindeutig die Wechselwirkungsstellen zwischen Metalldampf und Schmelzeströmung sowie Änderungen darin erkennen.
Welche Maßnahmen bzw. technischen Lösungen konnten sie daraus ableiten?
Wir hatten zu Beginn den Ansatz verfolgt, über angepasste Leistungsintensitäten laserstrahlzuschweißen. Das heißt in diesem Fall, dass wir mit mehreren Strahlen arbeiten wollten. Ein Strahl sollte eine hohe Leistungsdichte haben, um das „Keyhole“ zu bilden und somit für die Einschweißtiefe zu sorgen. Der zweite Strahl sollte wie ein Kranz um das „Keyhole“ herum das Material geringfügig aufschmelzen und somit insgesamt für eine Beruhigung sorgen. Dieser Ansatz ist im industriellen Umfeld unterschiedlich verfolgt worden und nun konnten wir ihn verstehen.
Dieser Erfolg wirkt wie ein Paradebeispiel dafür, dass Innovation oft aus langfristiger, generationenübergreifender Forschung entsteht.
Ich kann in diesem Fall diese Frage eindeutig mit Ja beantworten. Wir hatten Erfolg bei unterschiedlichen Wettbewerben und konnten nahezu durchgängig Förderungen durch das BMWi, also das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, die Carl-Zeiss-Stiftung, das damalige Thüringer Wissenschaftsministerium TMWWDG sowie die DFG erhalten. Das war eine sehr glückliche Situation, die es uns erlaubt hat, ohne Unterbrechung dran zu bleiben. Die Weitergabe des Know-hows über die Generationen hinweg hat sehr gut funktioniert. Das Team hat sich trotz kleiner Rückschläge immer wieder neu begeistern können und hat sich nicht gescheut, völlig neue Wege zu gehen.
Welche Rolle spielen dabei Promovierende, Postdocs und junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die solche Forschungslinien über Jahre weitertragen?
Die Auszeichnung geht bewusst an ein Team und nicht an eine einzelne Person. Der Beitrag jeder einzelnen Person zu unterschiedlichen Zeitpunkten in der eigenen Karriere ist auf gleiche Weise wertvoll und unerlässlich. Doktoranden und junge Wissenschaftler haben neue Ansichten und bringen ihre eigene wissenschaftliche Kreativität mit ein. Ihre Arbeit ist nicht nur wichtig, sie ist ausschlaggebend.
Thüringen ist ein bedeutender Standort für Photonik, Lasertechnik und Präzisionstechnologien. Warum ist Ihre Forschung gerade für die Thüringer Industrie und die Region besonders relevant?
Wir haben in unseren Überlegungen und Aktivitäten Standortfaktoren eingebaut und berücksichtigt. Unsere Forschung tangiert in erster Stufe die metallbearbeitende Branche, insbesondere in der Fertigung von hochwertigen Gütern aus nicht rostenden Stählen für die Chemie- und Lebensmittelindustrie sowie den Apparatebau. Weiterhin sind die Entwicklungen sehr stark an die Photonik und Optik gekoppelt, um beispielsweise Intensitätsverteilungen zu designen und umzusetzen. Derartige Kompetenzen sind in Thüringen vorhanden.
Aus Ihren Forschungsergebnissen ist auch ein Patent „made in Thüringen“ hervorgegangen. Was bedeutet Ihnen dieser Schritt vom Labor in Richtung industrieller Nutzung?
Dieser Schritt ist selbstverständlich für uns, gerade in der Zusammenarbeit mit der Industrie. Es ist der Nachweis des Transfers und der Nutzung einer Idee.
Wenn Sie auf die kommenden Jahre blicken: Welche wissenschaftlichen Fragen sind noch offen – und woran möchten Sie als Nächstes weiterarbeiten?
Puh…ich habe noch viele Fragen offen, für die ich gerne eine Antwort hätte. Wir haben gerade in diesem Jahr neuere Untersuchungen begonnen, die die Betrachtung des Tropfenüberganges beim Metallschutzgasschweißen betreffen. Dieses Verfahren ist zwar weit etabliert und wird derzeit auch im Bereich der additiven Fertigung umgesetzt. Der Tropfenübergang und die Auswirkung auf das Schmelzbad sind für uns immer noch nicht eindeutig und unter praxisnahen Bedingungen kaum beschrieben.
Mehr als 60 Jahre Forschung und Lehre
Als eines der größeren Fachgebiet der TU Ilmenau blickt die Ilmenauer Fertigungstechnik auf eine lange Tradition zurück und hat den Wandel in der Produktion über Jahrzehnte wissenschaftlich begleitet und mitgestaltet.
Heute liegen die Forschungsschwerpunkte in den Bereichen Pressschweißen, Lasermaterialbearbeitung, Lichtbogentechnik und Zerspanung.
Als Teil des Thüringer Zentrums für Maschinenbau arbeitet das Fachgebiet eng mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft zusammen. Das Fachgebiet ist zudem in das Institut für Mikro- und Nanotechnologie sowie das Institut für Mobilitätsforschung eingebunden und Mitglied der Forschervereinigung des Deutschen Verbands für Schweißen und verwandte Verfahren (DVS) sowie der Forschungsvereinigung Stahlanwendung (FOSTA).
Kontakt
Prof. Jean Pierre Bergmann
Fachgebietsleiter Fertigungstechnik