Carbon Composites sicherer mit dem Laser bearbeiten

Nicht nur Energiesparvorgaben ebnen den Weg für Leichtbauwerkstoffe zu denen auch die carbonfaserverstärkten Kunststoffe (CFK) zählen. Zu deren Bearbeitung wird zunehmend auch der Laser eingesetzt. Um dabei noch hochwertigere Ergebnisse zu erhalten, gibt es das Era-SME-Projekt A´Quilaco in dem drei Partner aus Industrie und Forschung Partner kooperieren.

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

SMW-AUTOBLOK Spannsysteme GmbH

trivid GmbH

Laser Zentrum Hannover e.V.

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe haben sich in den vergangenen Jahren sowohl innerhalb der Luftfahrtbranche als auch im Automobil- und Energiesektor zu einem bedeutenden und vielversprechenden Konstruktionswerkstoff entwickelt. Aus dieser Entwicklung ergibt sich eine stetig wachsende Nachfrage nach effizienten und gleichzeitig verlässlichen Bearbeitungsverfahren. Hierfür eignen sich insbesondere laserbasierte Prozesse, wie das Laserstrahltrennen und das Laserdurchstrahlschweißen.

Projektvorhaben soll onlinegestützt die Qualität sichern

Um diese Verfahren erfolgreich in den verschiedenen Märkten zu etablieren, ist die Entwicklung einer onlinegestützten Qualitäts- und Prozesskontrolle für schnelle scannerbasierte Bearbeitungsprozesse von entscheidender Bedeutung. Aus diesem Grund arbeiten die Projektpartner Sensortherm GmbH, Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) und Newson bv im Rahmen des Era-SME Projektes „A’Quilaco“ an der Umsetzung eines kombinierten Scannerkopfes mit einem Hochgeschwindigkeitspyrometer zur Temperaturmessung für die Lasermaterialbearbeitung von CFK-Werkstoffen.

Noch Mängel bei der Prozesskontrolle

Für die Laserbearbeitung von Faserverbundwerkstoffen fehlt es derzeit noch an angepassten Methoden zur Prozesskontrolle, wie oben erwähnt: Die heute existierenden Messsysteme zur Detektion der Prozesstemperaturen erfüllen nicht die notwendigen Anforderungen an eine hohe zeitliche Auflösung des Messsignales und eine flexible Positionierung der Messstelle, um den hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten gerecht werden zu können. Zusätzlich beeinflussen die unterschiedlichen thermischen Eigenschaften des Matrixwerkstoffes und der Carbonfasern die Messmethode und erhöhen die Anforderungen an die Messgenauigkeit.

Spezieller Doppelscannerkopf soll helfen

Das Hauptaugenmerk liegt auf der Entwicklung eines kombinierten Scannerkopfes (Bild 2), mit dem erstmalig die Temperatur beliebiger Punkte innerhalb und außerhalb der Laserinteraktionszone während der laufenden Bearbeitung gemessen werden können (Bild 3). Daher arbeiten die Projektparter an einem speziellen Doppelscannerkopf, bei dem der Strahlengang des Bearbeitungslasers vom Detektionsstrahlengang zur Temperaturmessung entkoppelt werden kann. So werden räumlich flexible und zeitlich hochauflösende Messungen während der Faserverbundbearbeitung möglich, wie es heißt.

Mit dem kombinierten Scannerkopf soll erstmalig die Temperatur beliebiger Punkte innerhalb und außerhalb der Laser-Interaktionszone während der laufenden Bearbeitung gemessen werden können. Dazu entkoppeln die Projektpartner den Strahlengang des Lasers von dem des Hochgeschwindigkeitspyrometers. Bei diesem Prozess wird der Messstrahl des Pyrometers über eigene Spiegel gelenkt. Diese sind speziell auf die Detektionswellenlänge des Pyrometers abgestimmt.

Hochauflösende Temperaturmessung bei der CFK-Bearbeitung

Eine hochgenaue Online-Temperaturmessung ist bei der Laserbearbeitung von Faserverbundwerkstoffen, wie besonders wichtig, so die Experten. Mit dem Doppelscannerkopf und der damit verbundenen Messmethode könnten thermisch kritische Bereiche in der Bearbeitungsgeometrie aber genau überwacht werden. Dieses Prinzip bildet die Grundlage, um aktiv in den laufenden Prozess einzugreifen und diesen zu optimieren.

Mit diesen Entwicklungen wird eine räumlich flexible und zeitlich hochauflösende Temperaturmessung während der Faserverbundbearbeitung ermöglicht. Die im Konsortium zusammengeschlossenen Projektpartner decken alle relevanten Themengebiete und Bereiche ab, um die obengenannten Ziele effizient erreichen zu können. Während das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH, Deutschland) die zugehörigen Laserprozesse entwickelt und die Prozessregelung für das Schweißen und Schneiden von Faserverbundwerkstoffen aufsetzt, entwickelt Newson nv, Berlare-Overmere (Belgien), den eigentlichen Doppelscannerkopf. An diesen Bearbeitungskopf werden neuartige Hochgeschwindigkeitspyrometer für unterschiedliche Wellenlängenbereiche von der Sensortherm GmbH, Sulzbach/Taunus (Deutschland), adaptiert. Weiterhin optimiert Sensortherm diese Pyrometer für das Laserdurchstrahlschweißen sowie das Laserschneiden und -abtragen. MM

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