JEC World 2019 Laser liefert funktionsintegrierte Composites

Redakteur: Peter Königsreuther

Wer erfahren möchte, wie man den Materialmix inklusive funktionalisierender Effekte per Laser wirtschaftlich und sicher schaffen kann, der sollte sich beim Fraunhofer-ILT umschauen. Halle 5A am Stand D17.

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Die Laserexperten des Fraunhofer-ILT haben an diesem Demonstrator-Trägerteil, das aus einem Magnesiumblech und einer Innenstruktur aus mit 30 % Kurzglasfaser-vertärktem Polypropylen (PP-GF30) besteht, per Laser eine Mikrostrukturierung vorgenommen, die dafür sorgt, dass sich Kunststoff und Metall mechanisch fest verkrallen. JEC World 2019 in Halle 5A am Stand D17.
Die Laserexperten des Fraunhofer-ILT haben an diesem Demonstrator-Trägerteil, das aus einem Magnesiumblech und einer Innenstruktur aus mit 30 % Kurzglasfaser-vertärktem Polypropylen (PP-GF30) besteht, per Laser eine Mikrostrukturierung vorgenommen, die dafür sorgt, dass sich Kunststoff und Metall mechanisch fest verkrallen. JEC World 2019 in Halle 5A am Stand D17.
(Bild: ILT)

Experten des Fraunhofer-ILT erforschen und entwickeln Laserprozesse für das wirtschaftliche Fügen, Schneiden, Abtragen oder Bohren von Verbundmaterialien, heißt es. Die Anstrengungen erklären sich insbesondere vor dem Hintergrund der Integration in bestehende Prozessketten. Dr. Alexander Olowinsky, Gruppenleiter Mikrofügen am Fraunhofer-ILT erklärt: „Mechanische Verfahren in der Trenntechnik, zu der etwa das Fräsen, Sägen oder Wasserstrahlschneiden gehören sowie das Kleben von Werkstoffen lassen sich durch Laserprozesse ersetzen, wobei der Laser die Effizienz und Qualität der Verfahren deutlich steigern kann.“

Magnesium-Kunststoff-Mix mit Mikrostruktur

Kunststoffe und Metalle bieten jeweils für sich spezielle, vorteilhafte Eigenschaften, etwa in puncto Formbarkeit, Festigkeit oder Wärmeleitfähigkeit, die durch die Herstellung von Hybridbauteilen kombiniert werden können, so die ILT-Forscher. Bei Hybridverbindungen aber, müssten die Metalloberflächen zunächst vorbereitet werden, damit der Materialmix auch einsatzfähig sei. Dafür kommen zum Beispiel die Mikrostrukturierung per CW-Laser (Dauerstrichlaser oder Continuous Wave) oder die Mikro- beziehungsweise Nanostrukturierung mit Ultrakurzpulslaser (UKP) mit unterschiedlichen Maschinenkonzepten infrage, heißt es weiter.

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Magnesium ist der leichteste metallische Konstruktionswerkstoff und zeichnet sich durch eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aus. Gemeinsam mit dem Institut für Kunststoffverarbeitung IKV der RWTH Aachen entwickelt das Fraunhofer ILT Laserprozesse zur Mikrostrukturierung von Magnesium, das anschließend sehr stabile und formschlüssige Verbindungen mit verschiedenen thermoplastischen Kunststoffen ermöglicht.

Die feste Verbindung ohne Klebstoff

Ein single-mode-Faserlaser (mit 1064 nm Wellenlänge) bringt mit Flächenraten von bis zu 1000 mm²/s präzise Hinterschnitte in die Magnesiumoberfläche ein, die sich im späteren Spritzgussverfahren mit Kunststoff ausfüllen lassen, der sich in denselben mechanisch sehr gut verkrallen kann. „Mit kurzglasfaserverstärktem Kunststoff haben wir Hybridverbindungen mit hohen Zugscherfestigkeiten, die einen Wert bis zu 22,4 MPa erreichen – die Bauteile sind aber extrem leicht und gleichzeitig hoch belastbar“, betonot Dipl.-Wirt.-Ing. Christoph Engelmann, Teamleiter Kunststoffbearbeitung am Fraunhofer-ILT. Weil keine Klebstoffe dazu nötig sind, finden Alterungsprozesse deutlich langsamer statt als bei konventionellen geklebten Verbindungen.

Bei der Kunststoffauswahl gibt es außerdem viel Spielraum, ergänzt Engelmann: „Grundsätzlich eignen sich alle thermoplastischen Kunststoffe, die im Spritzgussverfahren einsetzbar sind.“ Diese böten vielfältige Möglichkeiten zur Bauteilanbindung und zur Integration von Funktionen, welche die hergestellten Hybridbauteile später haben, und welche im Vergleich zur reinen Metallbauweise nicht zu machen wären.

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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