Laserprozesse für Faserverbundwerkstoffe

Für die großserientaugliche Anwendung von Faserverbundkunststoffen (FVK) sind geringe Herstellungskosten und kurze Zykluszeiten ein vorrangiges Ziel. Die Bearbeitung dieser inhomogenen Materialien erfordert dabei Prozesse, die an die Anisotropie des Werkstoffes angepasst sind. Aufgrund seiner Flexibilität, der Verschleißfreiheit und der hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit ist der Laser hier das ideale Werkzeug. Das Fraunhofer ILT entwickelt im Zentrum für Laser-Leichtbau Laserprozessefür FVK Komponenten, welche die spezifischen Eigenschaften der Werkstoffe nicht verändern und deren Vorteile optimal erhalten.

Durch die hervorragende zeitliche und örtliche Steuerbarkeit bietet das Laserschneiden ein großes Potenzial zur Reduzierung von Bearbeitungszeiten und zur automatisierten Herstellung von FVK-Bauteilen. Dies gilt für verschiedenste Schritte innerhalb der Prozesskette – vom Schneiden von Prepregs, Tapes und Organoblechen bis zum Besäumen und Schneiden von FVK-Komponenten. Hochgeschwindigkeitsprozesse oder der Einsatz kurzgepulster Laserstrahlung sorgen dafür, dass trotz unterschiedlicher Absorption, Wärmeleitung, Schmelz- und
Zersetzungstemperaturen von Faser und Matrix Schäden an der Schnittkante auf ein Minimum reduziert werden.

Verbundwerkstoffe sind gegenüber isotropen und homogenen Werkstoffen besonders schwer zu bearbeiten,  da die unterschiedlichen mechanischen und thermischen Eigenschaften der einzelnen Werkstoffbestandteile  häufig zu einem ungleichmäßigen Bearbeitungsergebnis führen. Ultrakurzpulslaser im Piko- und Femtosekundenbereich ermöglichen hier unabhängig von den thermophysikalischen und mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe eine hochpräzise und gleichzeitig selektive Bearbeitung. Aufgrund der hohen Pulsleistungen im Megawattbereich und der damit verbundenen hohen Intensitäten wird die  Verdampfungsschwelle für Matrix und Fasern instantan überschritten. Darüber hinaus wird wegen
der kurzen Wechselwirkungszeit und der damit verbundenen geringen thermischen Wirkung der Abtrag nur über die Verdampfungs-Schwellfluenz der jeweiligen Werkstoffe gesteuert. Auf diese Weise können Verbundwerkstoffe ohne thermische Schädigungen der angrenzenden Matrix gebohrt werden und andererseits eine selektive Entfernung und Strukturierung der Matrix erfolgen, ohne die Faserstruktur zu zerstören.

Zur Herstellung komplexer Faserverbundbauteile aus mehreren Einzelelementen sowie zur Erzeugung von Hohlstrukturen bietet sich das Laserdurchstrahlschweißen an. Mit diesem berührungslosen Verfahren lassen sich bei hohen Prozessgeschwindigkeiten geschlossene Verstärkungsstrukturen zur Erhöhung der Bauteilsteifigkeit sowie lokale Anknüpfungspunkte und Verbindungselemente ohne komplexe Prozessschritte erzeugen.

Das Laserschweißen bietet den Vorteil, dass die nötige Energie direkt in der Kontaktzone der zu fügenden Bauteile deponiert wird und dabei das Bauteil ansonsten unbeeinflusst bleibt. Fügeteilvorbereitungen und lange Aushärtezeiten entfallen, so dass das Verfahren direkt in den Fertigungsfluss integriert werden kann. Mit einer optischen Anpassung der Strahlungspropagation lassen sich dabei auch Werkstoffe mit hohem Fasergehalt so fügen, dass die Anforderungen nach robusten Prozessen in der Serienfertigung erfüllt werden können. Mit einer angepassten Spanntechnik und Spaltüberbrückungsstrategien lassen sich auch große Bauteile mit entsprechenden Toleranzen sicher fügen.

Aus Kosten- und Stabilitätsgründen werden Leichtbau-Komponenten in der Regel aus verschiedenen Werkstoffen zusammengesetzt. Bei diesem Materialmix werden die spezifischen Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe lastgerecht genutzt. Dies erfordert eine Fügetechnik, die artungleiche Werkstoffkombinationen sicher und mit kurzen Prozesszeiten verbindet. Eine besondere Herausforderung stellt dabei das Verbinden von Kunststoff mit Metall dar, da ein direktes, hochfestes Verschweißen dieser Kombination nicht möglich ist. Abhilfe schafft hier ein Fügeverfahren, bei dem die Metalloberfläche zunächst entweder durch eine Hochgeschwindigkeits-Lasermikrostrukturierung mit Hinterschnitten und definierten Rauigkeiten versehen wird oder mithilfe von Ultrakurzpulslasern eine schwammartige, poröse Oberfläche erzeugt wird. Im nachfolgenden laserbasierten Fügeprozess wird der Kunststoff selektiv an der Fügestelle zwischen Metall und Kunststoff aufgeschmolzen, so dass sich dieser dauerhaft in der zuvor bearbeiteten Metalloberfläche verkrallen kann. Durch eine belastungsgerechte Auslegung von Ausrichtung, Form und Anzahl der Strukturen ergibt sich eine große Bandbreite an möglichen Hybridstrukturen für eine Vielzahl von Werkstoffkombinationen. Durch eine belastungsgerechte Auslegung von Ausrichtung, Form und Anzahl der Strukturen ergibt sich eine große Bandbreite an möglichen Hybridstrukturen für eine Vielzahl von Werkstoffkombinationen.

Im Zentrum für Laser-Leichtbau steht für Forschungs- und Entwicklungsaufgaben ein umfangreicher Anlagenpark mit diversen Strahlquellen und Handhabungssystemen sowie umfangreichem Analyse- und Diagnoseequipment zur Verfügung, der fortlaufend auf dem neuesten Stand der Technik gehalten wird:

• Faser- und Scheibenlaser mit Leistungen bis 12 kW (Multimode) bzw. 5 kW (Singlemode)
• Diodenlaser mit Leistungen bis 12 kW
• CO2-Laser cw bis 10 kW und gepulst mit mittleren Leistungen bis 1,5 kW
• Gepulste fs- und ps-Laser bis 1 kW mittlere Leistung
• Roboter-, Multiachs-, und Portalanlagen zur 3D-Bearbeitung
• 2D-Schneidanlage, 300 m/min, 5 g
• Remote-Bearbeitungssystem mit Galvanometerscanner, Brennweiten von 50 - 810 mm
• UV-VIS-NIR und FTIR-Spektrometer
• Prozessüberwachungssysteme
• Hochgeschwindigkeits- und Thermographiekameras
• Universal-Zugprüfmaschine 10 N - 100 kN
• Klimakammer