Lasys 2012 Laseranwendungen können Schlüsselrolle bei der Bearbeitung von CFK spielen

Die Be- und Verarbeitung von Verbundwerkstoffen, insbesondere kohlfaserverstärkten Kunststoffen (CFK), stellt eine besondere Herausforderung dar. Sie bildet oft eine der größten Hürden beim Ersatz metallischer Werkstoffe in der Großserie. Das Werkzeug Laser kann zur Lösung der Probleme beitragen, wie auf der Lasys, der internationalen Fachmesse für Laser-Materialbearbeitung, vom 12. bis 14. Juni 2012 in Stuttgart, zu sehen sein wird.

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Verbundwerkstoffe sind, anders als Metalle, physikalisch inhomogen. Es sind aber gerade diese unterschiedlichen Eigenschaften, die in einem neuen Werkstoff zusammengeführt und vorteilhaft genutzt werden. Das macht die Be- und Verarbeitung allerdings schwierig, wie Prof. Dr. Thomas Graf, Direktor des IFSW Institut für Strahlwerkzeuge an der Universität Stuttgart, erklärt: „Einerseits beeinflusst diese Inhomogenität die Ausbreitung des Laserstrahls, andererseits ist die Wärmeleitung sehr anisotrop und die für die Ablation der Materialien entscheidenden Parameter sind sehr unterschiedlich.“

Falsche Prozessführung schädigt Carbonfasern in CFK

Die Folge: Bei falscher Prozessführung könnten die hohe Wärmeleitfähigkeit der Carbonfasern in CFK und die sehr unterschiedlichen Eigenschaften von Carbon und Kunststoff die Kunststoffmatrix stark schädigen. Am IFSW werden diese grundlegenden Aspekte untersucht, um Leitlinien für eine optimierte Prozessführung entwickeln zu können.

Prof. Graf: „Sie stellen eine große Herausforderung für die Entwicklung geeigneter Laseranlagen dar. Hier sind insbesondere sehr hohe Vorschubgeschwindigkeiten, hohe Genauigkeit bei hoher Dynamik und eine präzise Fokuslagenregelung zu nennen.“

Herausforderung für Laser ist die hohe Flächenleistung bei homogener Energieeinbringung

„Die Herausforderung für die Laserbearbeitung besteht darin, eine möglichst hohe Flächenleistung bei homogener Energieeinbringung zu erreichen, beispielsweise für große Bauteile aus der Luftfahrtindustrie oder Endlosrohre im Off- und On-Shore-Bereich“, ergänzt Michael Nagel, Technischer Vertriebsleiter der Laserline GmbH in Mülheim-Kärlich. Hauptvorteil des Lasers sei die materialschonende, effiziente Bearbeitung thermoplastischer Faserverbundwerkstoffe, die in der Regel in Form eines Bandes (Tape) vorliegen, in einem Prozessschritt und ohne Materialzusatz.

Duroplaste benötigten hingegen spezielle Epoxidharze, die bei zirka 400 °C und 20 bar Druck in speziellen Heißluftautoklaven verpresst und ausgehärtet würden.

Laserline setzt bei der Verarbeitung von Verbundwerkstoffen vor allem auf hocheffiziente Diodenlaser, die derzeit bis 15.000 W hergestellt würden, und entsprechend entwickelte Optiken. „Sie reichen auch bei großen Fokusabmessungen für breite Tapes aus und stellen die Energie für den Schweißprozess entsprechend homogen bereit.“

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