Laser für Leichtgewichte
Europäisches Projekt für das industrielle Fügen von Leichtbau-Strukturen erfolgreich abgeschlossen.
Von Dezember 2010 bis November 2013 haben das Laser Zentrum Hannover (LZH) und sieben Partner an dem Forschungsprojekt „Laser transmission welding of thermoplastic composite structures“ (LaWocs) gearbeitet. Zu den Zielen im Bereich des Umweltschutzes gehört eine Energieeinsparung durch Senkung des Treibstoffverbrauchs und damit verbunden eine Reduzierung von CO2-Emissionen. Dies ist eine Herausforderung für alle produzierenden Industrien vom Flugzeug- über den Fahrzeugbau bis zum Schiffbau.
Abb.: Prozessskizze des Fügevorgangs (Bild: LZH)
Zur Umsetzung werden neue Leichtbaukonzepte basierend auf der Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten (CFK) und glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) entwickelt. Diese Werkstoffe bieten ein hohes Gewichtseinsparungspotenzial bei gleichzeitig ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften. Ein genaues Verständnis dieser Werkstoffe ist daher ein wichtiges Forschungsthema weltweit.
Das Eurostars Projekt LaWocs hat in den letzten drei Jahren das laserbasierte Fügen von Faserverbundwerkstoffen untersucht. Ziel war die Abbildung einer Prozesskette beginnend bei einer schweißgerechten Konstruktion von Bauteilen über eine Anpassung der Werkstoffe bis hin zum Laserschweißprozess selbst.
Das Laserdurchstrahlschweißen (Laser Transmission Welding) bietet viele Vorteile für das Fügen thermoplastischer, faserverstärkter Materialien. Zu ihnen gehört eine hohe Flexibilität, die es ermöglicht, komplizierte Geometrien zu realisieren. Darüber hinaus ist die Bearbeitung mittels des Lasers kontaktfrei und die Laserenergie wird gezielt dort eingebracht, wo sie zur Ausbildung einer Schweißnaht benötigt wird. Über eine berührungslose Temperaturmessung mit Pyrometern lässt sich zudem eine Prozessregelung umsetzten, um beispielsweise thermoplastisches GFK mit CFK zuverlässig zu verschweißen. Somit lassen sich durch den Einsatz von Lasern zum Fügen von Verbundwerkstoffen Produktionsprozesse deutlich vereinfachen und eignen sich dann auch für die industrielle Fertigung.
Abb.: Lasergeschweißte Interieur Aircraft-Pins (Bild: LZH)
Die europäische Zusammenarbeit im Rahmen des Projektes erlaubte es, alle Aspekte der einzelnen Fertigungsschritte von Faserverbundbauteilen in einem Forschungsverbund darzustellen. Im Rahmen des dreijährigen Verbundprojektes wurden neue Materialen entwickelt, die den Anforderungen des Laserdurchstrahlschweißens genügen, ohne die mechanischen Eigenschaften zu beeinflussen. Zusätzlich wurden Untersuchungen zum Verständnis des Schweißprozesses an verschiedenen thermoplastischen Materialien durchgeführt und für die Entwicklung von Fügeparametern genutzt. Somit konnten die Projektpartner ELEMENT, KVE, EPL, TODS, DEVA, TENCATE, FIBRE und LZH alle Teilprozesse der Material- und Prozessentwicklung, der Bauteilherstellung sowie der Bauteilprüfung erstmalig im Zusammenspiel umsetzen und optimieren.
Eine zentrale Aufgabe des Projektes, die Entwicklung eines laserbasierten Verfahrens zum Fügen von endlosfaserverstärkter Composite-Strukturen, lag in der Verantwortung des LZHs. Für die Umsetzung dieser Schweißprozesse wurden die optischen Eigenschaften von thermoplastischen Werkstoffen genutzt, die im nahinfraroten Spektralbereich (NIR) teiltransparent sind und von entsprechender Laserstrahlung durchdrungen werden können. Die Laserstrahlung wird dann an Kohlenstofffasern bzw. an Rußpartikeln in einem zweiten Fügepartner absorbiert und die elektromagnetische Strahlung wird in Wärme umgewandelt. Durch Wärmeleitung zwischen den beiden Fügepartnern werden die beteiligten Kunststoffe aufgeschmolzen und es bildet sich eine Schweißnaht aus.
Ein Beispiel für Bauteile, die im Fokus des Projekts standen, sind Aircraft-Pins. Sie werden zu hunderttausenden jährlich produziert und in modernen Großraumflugzeugen verbaut. Tests konnten bereits zeigen, dass die lasergeschweißte Version eine höhere Festigkeit als geklebte Pins aufweist, was eine Gewichtsreduzierung des Pins ermöglicht. Die Arbeiten bieten die Grundlage, um einen automatisierten Prozess für die industrielle Produktion dieser Leichtbauteile zu entwickeln und so eine ressourcenbewusste, umweltschonende Entwicklung im Transportwesen zu ermöglichen.
LZH / AH
