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.
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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