Remote-Laserschneiden verpasst Faserverbundbauteilen den letzten Schnitt
Das Fraunhofer IWS Dresden stellt auf der LASYS in Stuttgart den Remote-Laserprozess für eine konturnahe, schnelle und flexible Endbearbeitung von TFP-Verbundstrukturen vor.
Extrem schnelle, präzise Steuerbarkeit und Bewegung des Lasers, kurze Wechselwirkungszeiten zwischen Laserstrahlung und Bauteil und daraus folgende Produktivitätssteigerungen gegenüber klassischen Fertigungsverfahren sind die Vorteile des Remote-Laserstrahlschneidens, welches das Fraunhofer IWS für eine breite Palette von Kunststoff- und Composite-Materialien zur Verfahrens- und Systementwicklung einsetzt. So konnte beispielsweise die Remote-Lasertechnologie für das Schneiden von Airbaghüllen und -säcken bereits in die Industrie überführt und mit den entwickelten Systemen Produktivitätssteigerungen von bis zu 90 Prozent gegenüber dem konventionellen Schnitt erreicht werden. Erfolgreich wurde der kontinuierliche Vorschub der Gewebebahn mit der schnellen Bewegung der Scannerspiegel kombiniert und somit ein effektiver und flexibler „on the fly“-Zuschnitt von Textilbahnen erreicht.
Abb.: Kraftflussgerechte Verstärkungsfaserstruktur in Form eines Brake-Boosters (Bild: Carbonfaser-Composite)
Textile Materialien ganz anderer Art sind in der Kunstrasenherstellung oder für Dämpfungsstrukturen im Einsatz, bei denen einzelne, praktisch endlose glatte Fasern – so genannte Filamente – geometrisch definierte Kräuselungen erhalten müssen. Im Rahmen eines durch die Sächsische Aufbaubank geförderten Verbundvorhabens zwischen der Firma thoenes Dichtungstechnik GmbH und dem Fraunhofer IWS wurde ein Remote-Laserprozess zum Texturieren entwickelt, der eine Kurzzeitwärmebehandlung von zeitgleich bis zu acht bewegten Kunststoff-Filamenten ermöglicht. Dabei wurde demonstriert, dass textile Kenndaten wie Restschrumpf, Einkräuselung und Zugfestigkeit reproduzierbar beeinflusst werden, ohne eine mechanische Schädigung oder ein Anschmelzen hervorzurufen.
Das Streben nach energieeffizienten, leichten Transportmitteln für den Personen- und Güterverkehr verlangt auch Fertigungstechnologien für Faserverbundstrukturen, wie z. B. für karbon- oder glasfaserverstärkten Kunststoff (CFK bzw. GFK). In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden diese Materialien zwar seit langem eingesetzt, jedoch konnte eine „high-volume“-Produktion, wie im Automobilbau gefordert, bislang nur ansatzweise umgesetzt werden. Dies liegt insbesondere an der aufwendigen Herstellungstechnologie sowie der zeit- und kostenintensiven Endbearbeitung des Materials durch Wasserstrahlschneiden bzw. mechanische Bearbeitung mit hohem Werkzeugverschleiß.
Der klassische Laserprozess ist durch die starke thermische Schädigung der Schnittzone des Faser-Matrix-Verbundes keine Alternative für eine serientaugliche Massenproduktion. Deutliche Effizienzsteigerungen konnten hingegen beim Einsatz der hochdynamischen Strahlablenkung am Fraunhofer IWS erzielt werden. Die sehr hohen Prozessgeschwindigkeiten führen zu einer geringen Wechselwirkungszeit zwischen Laserstrahl und Werkstoffverbund, so dass die thermische Zersetzung des Matrixwerkstoffes an der Schnittfuge auf ein Minimum reduziert wird und der Prozess flexibel und hocheffizient gestaltet wer-den kann.
Eine spezielle Art von Faserverbundstrukturen stellen die mittels Tailored Fiber Placement (TFP) hergestellten Bauteile dar, deren industrieller Einsatz durch eine konturnahe, schnelle und flexible Endbearbeitung mittels Remote-Laserschneiden einen Schub erhalten wird. Bei dem im Institut für Polymerforschung Dresden e.V. entwickelten TFP-Verfahren werden Faserbündel (z. B. Karbon, Glas, Aramid), sogenannte Rovings oder Verstärkungsfäden, auf ein Trägermaterial in nahezu beliebiger Form und Dicke aufgestickt und danach mit einem Matrixwerkstoff infiltriert und verfestigt. Die durch vorab durchgeführte Kraftfluss- und Spannungsberechnungen entstandene bauteiloptimierte Struktur weist bei gleicher Steifigkeit ein viel geringeres Gewicht gegenüber klassischen Faserverbundstrukturen auf. Vielfältige Anwendungen, vom Brake-Booster für Fahrradbremsen über Rahmen von Flugzeugfenstern bis zu maßgeschneiderten Iso-grid-Strukturen im Leichtbau, sind die Einsatzgebiete der TFP-Technologie. Noch wird die gewünschte Endstruktur aufwendig mit mechanischen Bearbeitungsverfahren von den Matrixrückständen und dem Stickgrund freigelegt. Doch auch hier konnten die Wissenschaftler des Fraunhofer IWS den äußerst schnellen, flexiblen und präzisen Remote-Laserstrahlprozess für eine effizientere und letztlich kostengünstigere Bearbeitung zum Einsatz bringen.
Fraunhofer IWS / PH
