03.02.2020

Ultrakurze Laserpulse für CFK-Bauteile

Neues Verfahren soll zu einer günstigeren Serienproduktion führen.

Die Montage von Bauteilen aus Karbonfaser-Komposit-Materialien (CFK) erfolgt in der Regel unter Verwendung von Verbindungs­elementen, die in das ausgehärtete und anschließend gebohrte CFK-Bauteil eingeklebt werden. Einen neuen Weg ging das Konsortium des Projekts CarboLase: Mit einem Ultrakurz­pulslaser werden bereits in den textilen Preform mikrometer­genaue Löcher gebohrt und dieser mit Verbindungs­elementen versehen. Anschließend wird das CFK-Bauteil ausgehärtet.

Abb.: Ein mit ultra­kurzen Laser­pulsen gebohrte Form aus Karbon­fasern mit...
Abb.: Ein mit ultra­kurzen Laser­pulsen gebohrte Form aus Karbon­fasern mit einer stern­förmiger Formbohrung und pass­genauem Metall­einsatz. (Bild: Fh.-ILT)

Faserverbund-Kunst­stoffe sind die Alleskönner unter den Konstruktions­werkstoffen. Sie vereinen die positiven mechanischen Eigen­schaften ihrer Ausgangs­materialien – hochfeste Fasern und eine robuste Kunststoff-Matrix – zu einem Verbund mit hohen Festig- und Steifigkeiten bei geringer Dichte. Doch noch ist die Herstellung teuer. Zudem sind die Bauteile meist schwierig zu be- und verarbeiten. Daher startete im März 2017 das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT gemeinsam mit vier Projektpartnern aus Forschung und Industrie das Projekt „CarboLase – Hoch­produktive, auto­matisierte und maßge­schneiderte Just-in-Time FVK-Bauteil­fertigung“. Der Europäische Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) förderte das Projekt mit dem Ziel, die Technologie­führerschaft der beteiligten KMUs aus NRW und die langfristige nationale und internationale Wettbewerbs­fähigkeit zu steigern. Dieses wurde erreicht, indem die Prozesskette der FVK-Herstellung vereinfacht und die Kosten reduziert wurden.

Normalerweise werden zur Montage von CFK-Elementen in konven­tionelle Bauteile Löcher in die fertigen CFK-Module gebohrt und in diese wiederum metallische Verbindungs­elemente – beispiels­weise Inserts mit Innengewinden – eingeklebt. Damit Bauteile durch Leichtbauelemente ersetzt werden können, müssen die Verbindungen zwischen CFK- und konventionellem Bauteil lösbar und sicher sein. Im CarboLase-Projekt wurde ein anderer Denkansatz verfolgt: Hier integrieren die Experten die Verbindungs­elemente bereits in die textilen Vorformlinge, die Preforms. Erst danach wird durch ein gemeinsames Aushärten das finale CFK-Bauteil geschaffen. Dadurch können Fertigungs­prozessketten deutlich verkürzt werden. Allerdings sind für diese Fertigungsart hoch­präzise Aussparungen im Textil erforderlich.

Ein Trio aus CNC-Zuschnitt, Laser­bearbeitung und automatischem Handling ist die Lösung für eine solche Bauteil­fertigung, die allen Ansprüchen gerecht wird. Die Techno­logien der einzelnen Prozess­schritte werden in eine Roboterzelle integriert und die dazwischen­liegenden Teilprozesse automatisiert. Zuerst wird der Preform durch Zuschneiden, Stapeln und Fügen der Textilien hergestellt. Anschließend werden mit einem Ultrakurz­pulslaser passgenaue Aussparungen in die Preforms gebohrt und in diese die metallischen Inserts eingebracht. Damit der Ultrakurz­pulslaser eine erfolgreiche Alternative für die konven­tionelle Fertigung ist, bedarf es der Integration des Lasers in die Roboterzelle. Klassisch werden ultrakurze Pulse über Spiegel geleitet, was an einem Roboterarm aber kaum möglich ist. Daher haben die Experten des Fraunhofer ILT mit weiteren Parntern eine neuartige Systemtechnik zur Ein- und Auskopplung der ;Laserstrahlung entwickelt. Die Verbindung der Laserstrahl­quelle mit dem Scanner am Roboter wird über eine Hohlkernfaser realisiert.

Das entwickelte Verfahren wurde bereits erfolgreich erprobt und die technische Mach­barkeit bewiesen: Die Projekt­partner fertigten dabei einen Demonstrator für ein B-Säulenelement, der anschließend einer gründlichen mechanischen Prüfung unterzogen wurde. Sowohl in Auszug- als auch in den Torsions­versuchen schnitten die mit dem CarboLase-Verfahren gefertigten Fügestellen besser ab als die von konventionell gefertigten Faserverbund­bauteilen. Die form­schlüssig mit dem Matrix­werkstoff verbundenen Inserts erzielen eine um bis zu fünfzig Prozent höhere maximale Auszugkraft gegenüber konventionell gefertigten Bauteilen mit eingeklebten Inserts. Durch die erhöhten mechanischen Kennwerte kann je nach Bauteil­design die Gesamt­dicke und damit das Gesamtgewicht reduziert werden.

Der Prozess bietet große Designfreiheit: Die Verbindungs­stellen lassen sich in ihrer Lage und Größe beliebig festgelegen. Roboter und Scanner können sich deutlich freier auf der Meter- und Mikrometer­ebene bewegen als statische mechanische Bearbeitungs­zentren. Eine effiziente Anpassung der CFK-Bauteile ist damit über den Stand der Technik hinaus möglich. Das dynamische Laserbohr­verfahren ist insbesondere für Leicht­bauteile aus dem Luftfahrt- und dem Automobil­bereich interessant und kann einen Beitrag zu Material- und Kosten­einsparungen bei der Herstellung von CFK-Bauteile leisten.

Fh.-ILT / JOL

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