JEC World 2019

Laser liefert funktionsintegrierte Composites

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Composites materialschonend schneiden

Beim Laserstrahlschneiden von Faserverbundmaterialien, insbesondere carbonfaserverstärkten Kunststoffen, muss der Bearbeitungsprozess so ausgelegt sein, dass eine möglichst kleine Wärmeeinflusszone im Bauteil herrscht, so das ILT. Gleichzeitig soll eine produktivitätssichernde, kurze Bearbeitungszeit eingehalten werden. Durch wiederholtes, schnelles Scannen des Laserstrahls entlang der Schneidbahn profitiere man nun von einem sukzessiven, schonenden Abtrag des Materials. „Durch ein kontinuierliches Nachführen des Scanfeldes ist dieses Verfahren auch für große Bauteile anwendbar“, erläutert Dr. Frank Schneider, Projektleiter Makrofügen und Schneiden am Fraunhofer ILT.

Für jedes Material, die besten Schneidparameter

Sowohl die Laserleistung als auch die Scangeschwindigkeit und die Abkühlzeit zwischen den Scans beeinflussen dabei die Wärmeeinflusszone und die Bearbeitungszeit, heißt es weiter. Die Wissenschaftler optimieren diese Parameter und ermitteln so die materialabhängig besten Einstellungen, die bei hybriden, also aus einem Materialmix bestehenden Teilen, auch innerhalb eines Bauteils adaptiert werden können. Auch wenn so unterschiedliche Werkstoffe wie glas- und carbonfaserverstärkte Kunststoffe geschnitten werden sollen, die auch noch in übereinanderliegenden Schichten angeordnet sind, ließe sich ein Schnitt in nur einem Bearbeitungsstep ausführen – präzise, ohne Verschleiß von Werkzeugen und aufgrund der Verfügbarkeit von CW-Hochleistungslasern auch noch mit hoher Strahlqualität und Effizienz.

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UKP-Laser schneidet absolut formschlüssige Insertlöcher

Im Leichtbaubereich mit carbonfasern wird die Integration von Funktionselementen in CFK-Strukturbauteilen oft über eingesetzte Gewindehülsen (Inserts) erreicht, etwa in Preforms für Bauteile in der Automobil- und Flugzeugindustrie. Die Inserts werden dazu formschlüssig in typischerweise mechanisch zuvor gebohrte Löcher eingesetzt und anschließen geklebt. Die Qualität und Festigkeit der Fügestelle hängen dabei maßgeblich von einem fehlerfrei gebohrten Laminat und der einwandfreien Verklebung ab, so das ILT.

Besonders haltbare und hochwertige Verbindungen sollen erreicht werden, wenn das noch nicht durch die Harzmatrix getränkte Carbonfasertextil (Preform) per UKP- Laser gemäß der Außenkontur des Inserts angepasst gebohrt wird, um das Funktionselemente noch formschlüssiger einsetzen zu können. Laserscanner ermöglichen dabei auch anspruchsvolle Bohrkonturen, wie sternförmige Geometrien, heißt es. Im späteren Infusionsprozess (dem Tränken des Preforms mit dem Harz) fungiert die Harzmatrix quasi als Klebstoff zwischen den Carbonfasern und dem Insert, weswegen es keinen zusätzlichen Klebstoff braucht.

Keine Schäden im Laminat oder an Fasern

Durch UKP-Laserstrahlbearbeitung könnten sowohl Preforms als auch konsolidierte CFK-Bauteile prozesssicher gebohrt werden. „Durch die primäre Verdampfung des Werkstoffs können thermische oder materialographische Schädigungen im Laminat oder an den Fasern vermieden werden“, erläutert Dr. Stefan Janssen, Teamleiter Laserstrahlbohren und Präzisionstrennen am Fraunhofer-ILT. Die Prozesszeiten liegen typischerweise abei wenigen Sekunden bis zu rund einer Minute. Die hohe Automatisierbarkeit unterstütze einen produktiven Einsatz in der CFK-Bauteilfertigung in nicht geringem Maße, so die Forscher.

MM

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