22.02.2019 • Lasertechnik

Laserverfahren für funktionsintegrierte Composites

Mechanische Verfahren lassen sich effizient durch Laserprozesse ersetzen.

Experten des Fraunhofer-Instituts für Laser­technik erforschen und entwickeln Laser­prozesse für das wirtschaftliche Fügen, Schneiden, Abtragen oder Bohren von Verbund­materialien – insbesondere vor dem Hintergrund der Integration in bestehende Prozess­ketten. „Mechanische Verfahren in der Trenntechnik, wie das Fräsen, Sägen oder das Wasser­strahl­schneiden sowie das Kleben beim Fügen von Werkstoffen, lassen sich durch Laser­prozesse ersetzen, wobei diese die Effizienz und Qualität der Verfahren deutlich steigern können“, erklärt Alexander Olowinsky, Gruppen­leiter Mikrofügen am Fraunhofer-ILT.

Abb.: Besäumen eines PKW-Dachspriegels aus glas- und carbonfaserverstärktem...
Abb.: Besäumen eines PKW-Dachspriegels aus glas- und carbonfaserverstärktem Kunststoff. (Bild: Fh.-ILT)

Kunststoffe und Metalle bieten jeweils spezielle Eigen­schaften, etwa bei Formbarkeit, Festigkeit oder Wärmeleit­fähigkeit, die durch die Herstellung von Hybrid­bauteilen kombiniert werden können. Bei Hybrid­verbindungen müssen die Metalloberflächen zunächst vorbereitet werden. Dabei kommen beispielsweise die Mikrostrukturierung per CW-Laser oder die Mikro- beziehungsweise Nano­struktu­rierung mit Ultra­kurz­puls­laser mit unter­schiedlichen Maschinen­konzepten infrage.

Magnesium ist der leichteste metallische Konstruktions­werkstoff und zeichnet sich durch eine besonders hohe Wärme­leit­fähigkeit aus. Gemeinsam mit dem Institut für Kunststoff­verarbeitung der RWTH Aachen entwickelt das Fraunhofer-ILT Laser­prozesse zur Mikro­struktu­rierung von Magnesium, das anschließend sehr stabile und form­schlüssige Verbindungen mit verschiedenen thermo­plastischen Kunststoffen ermöglicht.

Ein Single-Mode-Faserlaser mit 1064 Nanometern Wellenlänge bringt mit Flächen­raten von bis zu tausend Quadrat­milli­metern pro Sekunde präzise Hinter­schnitte in die Magnesium­oberfläche ein, die sich im späteren Spritz­guss­verfahren mit Kunststoff ausfüllen lassen. „Mit kurz­glas­faser­verstärktem Kunststoff haben wir Hybrid­verbindungen mit hohen Zugscher­festig­keiten bis zu 22,4 MPa realisiert – die Bauteile sind extrem leicht und gleich­zeitig hoch­belastbar«, erklärt Christoph Engelmann, Teamleiter Kunststoff­bearbeitung am Fraunhofer-ILT. Da keine Klebstoffe nötig sind, finden Alterungs­prozesse zudem langsamer statt als bei konventio­nellen geklebten Verbindungen.

Bei der Kunststoff­auswahl gibt es viel Spielraum: Grund­sätzlich eignen sich alle thermo­plastischen Kunststoffe, die im Spritz­guss­verfahren einsetzbar sind. Sie eröffnen viel­fältige Möglich­keiten zur Bauteil­anbindung und zur Integration von Funktionali­täten, welche die hergestellten Hybrid­bauteile später bieten und welche in reiner Metall­bauweise nicht erzeugt werden können.

Beim Laserstrahl­schneiden von Faser­verbund­materialien, insbesondere carbon­faser­verstärkten Kunststoffen, zielt die Prozess­auslegung auf eine möglichst kleine Wärme­einfluss­zone. Gleich­zeitig soll eine produktivitäts­orientierte, kurze Bearbeitungs­zeit eingehalten werden. Durch wieder­holtes, schnelles Scannen des Laserstrahls entlang der Schneidbahn entsteht ein sukzessiver, schonender Abtrag. „Durch ein kontinuier­liches Nachführen des Scanfeldes ist dieses Verfahren auch für große Bauteile anwendbar“, erläutert Frank Schneider, Projektleiter Makrofügen und Schneiden am Fraunhofer-ILT.

Laserleistung, Scangeschwindigkeit und die Abkühlzeit zwischen den Scans beein­flussen dabei die Wärme­einfluss­zone und die Bearbeitungs­zeit. Die Wissen­schaftler optimieren diese Parameter und ermitteln so die material­abhängig besten Einstellungen, die bei hybriden, aus einem Materialmix bestehenden Teilen auch innerhalb eines Bauteils adaptiert werden können. Selbst wenn so unter­schiedliche Werkstoffe wie glasfaser- und kohle­faser­verstärkte Kunststoffe getrennt werden sollen, die in über­einander­liegenden Schichten angeordnet sind, lässt sich ein Schnitt in nur einem Bearbeitungs­schritt ausführen – präzise, ohne Verschleiß an Werkzeugen und dank der Verfügbar­keit von CW-Hoch­leistungs­lasern mit hoher Strahl­qualität auch effizient.

Im Leichtbaubereich wird die Integration von Funktions­elementen in CFK-Struktur­bauteilen häufig über eingesetzte Gewinde­hülsen durch­geführt, etwa in Preforms für Bauteile in der Automobil- und Flugzeug­industrie. Die Inserts werden dazu form­schlüssig in typischer­weise mechanisch gebohrte Bauteile eingesetzt und anschließen geklebt. Die Qualität und Festigkeit der Füge­stelle hängen dabei maßgeblich von der Fehler­freiheit des gebohrten Laminates und der Klebung ab.

Besonders haltbare und hoch­qualitative Verbindungen entstehen, wenn das noch ungetränkte Carbon­faser­textil mittels ultrakurz gepulster Laser­strahlung gebohrt wird, in das anschließend Funktions­elemente form­schlüssig eingesetzt werden. Laserscanner ermöglichen auch anspruchs­volle Bohr­konturen wie stern­förmige Form­bohrungen und damit die Integration von belastungs­angepassten Einlege­teilen. Im späteren Infusions­prozess dient die Matrix als Klebstoff zwischen den Carbonfasern und dem Insert, wodurch kein weiterer Klebstoff erforderlich ist.

Durch UKP-Laserstrahl­bearbeitung können sowohl Preforms als auch konsolidierte CFK-Bauteile hoch­qualitativ gebohrt werden. „Durch die primäre Verdampfung des Werkstoffs können thermische oder materialo­graphische Schädigungen im Laminat oder an den Fasern vermieden werden“, erläutert Stefan Janssen, Teamleiter Laser­strahl­bohren und Präzisions­trennen am Fraunhofer-ILT. Die Prozess­zeiten von typischer­weise wenigen Sekunden bis zu einer Minute und die hohe Automatisier­bar­keit unterstützen zudem einen produktiven Einsatz in der CFK-Bauteil­fertigung.

Fh.-ILT / RL

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