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Institut für Textiltechnik ITA der RWTH Aachen

Laserstrahl und textiles Know-how heben Hochleistungs-Composites aus der Taufe

| Autor / Redakteur: Sebastian Oppitz, Boris Manin, Santino Wist und Thomas Gries / Peter Königsreuther

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Der Weg zu leichteren Fahrzeugen und Systemen, um Energie und fossile Brennstoffe zu schonen, führt zum Materialmix aus Metallen und Faserverbundbauteilen. Damit die neuen Bauteile erfolgreich einsetzbar sind, müssen adäquate Fügetechniken und produktive Fertigungsmethoden gefunden werden. Ein Forscherteam aus Aachen arbeitet mit Elan daran.

Der Bedarf an Bauteilen aus Faserverbundkunststoffen (FVK) steigt aufgrund der wachsenden Bedeutung von Energie- und Ressourceneffizienz bei einer gleichzeitigen Forderung nach steigender Bauteilperformance stetig an [1, 2, 3]. Für die Fertigungstechnik bedeutet dies, dass vor allem Prozessketten vereinfacht und trotz hoher Geometrievielfalt die Kosten reduziert werden müssen.

Aufgrund des hohen Leichtbaupotentials wächst simultan auch der Bedarf an FVK-Bauteilen für „Multi-Material-Design“ Anwendungen. Das Konzept des Multi-Material-Design spielt vor allem bei der Erschließung neuer Leichtbaupotenziale bei der Entwicklung zukünftiger Fahrzeuggenerationen eine zentrale Rolle. Hinter dem Begriff verbirgt sich der Ansatz werkstofflich, konstruktiv und fertigungstechnisch Material geeignet zu kombinieren. [4] Um Vorteile dieser Materialmischbauweise ausnutzen zu können, müssen vor allem Herausforderungen im Bereich der Verbindungstechnologien bewältigt werden [5, 6, 7]. Die Realisierung lösbarer, flexibler und genormter Schnittstellen ist eine Voraussetzung für die Substitution bestehender Bauteile durch Faserverbundelemente. Realisiert werden diese Schnittstellen durch metallische Funktionselemente (zum Beispiel Inserts mit Innen- oder Außengewinden), die bei derartigen Bauweisen ein Bindeglied zwischen den konventionellen und den FVK-Bauteilen darstellen [4, 8, 9].

Laserabtragsprozess hat keinen Werkzeugverschleiß

Die Herstellung der Preforms stellt, zusammen mit dem Material, den Hauptkostentreiber zur Fertigung von FVK-Bauteilen dar (gemeinsam sind das bis zu 70 % der Bauteilkosten) [10]. Aktuell ist die Herstellung von FVK-Bauteilen, vor allem bei kleinen und mittelständigen Unternehmen, durch einen hohen Anteil manueller Arbeit geprägt. Dies kann zu einer hohen Fehleranfälligkeit des gesamten Produktionsprozesses sowie zu Qualitätsschwankungen bei der Herstellung führen. Folgen sind hohe Ausschüsse in Form von textilem Verschnitt (bis zu 50 %) und fehlerhaften, bereits ausgehärteten Bauteilen.

Gegenwärtig werden Funktionselemente durch eine aufwändige mechanische Nachbearbeitung des harten Bauteils integriert. [10, 11] Aufgrund der hoch abrasiven Materialeigenschaften ist die mechanische Nachbearbeitung ausgehärteter FVK-Bauteile mit Werzeugkontakt (zum Beispiel Bohren oder Fräsen) zeit- und kostenintensiv (bis zu 20 % der Bauteilkosten). Eine automatisierte Integration der Funktionselemente vor der Konsolidierung (Aushärtung) in dreidimensionale textile Preforms scheiterte bis jetzt an defizitären Verfahren, mit denen Aussparungen flexibel sowie mit großer Präzision in den mehrlagigen textilen Preform eingebracht werden können.

Als Alternative zu den mechanischen Bearbeitungsverfahren bietet das Laserabtragen die Vorteile, das kein Werkzeugverschleiß stattfindet, einer hohen Flexibilität und höchster Präzision im Mikrometerbereich. Insbesondere Ultrakurzpulslaser erlauben hier im Vergleich zu konventionellen Lasern eine schonende Bearbeitung mit minimalem Energieeintrag und gesteigerter Präzsion [12, 13, 14, 15].

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