CFK-Bearbeitung Laserschneiden etabliert sich bei der CFK-Bearbeitung

Autor / Redakteur: Marc Kirchhoff / Peter Königsreuther

Composites gelten als Lösung vieler Probleme unserer Zeit. Komponenten dieser Art müssen dann aber massiv eingesetzt und oft noch nachgearbeitet werden. Der Laser könnte die Frage nach einem wirtschaftlichen Bearbeitungskonzept gut beantworten.

Firma zum Thema

Zuschnitt eines CFK-Bauteils: Bei unter 4 mm Dicke ist der Laser zwei bis drei Mal schneller als der Wasserstrahl oder Fräser.
Zuschnitt eines CFK-Bauteils: Bei unter 4 mm Dicke ist der Laser zwei bis drei Mal schneller als der Wasserstrahl oder Fräser.
(Bild: Trumpf)

Faserverbundwerkstoffe (FVK) sind trendy, aber schwer zu bearbeiten. Als Werkzeug setzen Fertigungstechniker immer häufiger auf Laserlicht: Denn es arbeitet verschleißfrei, exakt und hochproduktiv.

Vor allem im Automobilbau, der Luftfahrt und Windenergie sind carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) in und ein wichtiger Teil der Antwort auf brennende Fragen der Zeit in Bezug auf Klimaschutz, E-Mobilität, Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit. Diese Megatrends sind entscheidende Treiber für den Leichtbau und damit auch für den Einsatz von FVK.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 7 Bildern

Zwiespältiges Werkstoffverhalten bei der Zerspanung

Die Konstrukteure lieben die geflochtenen Leichtmaterialien ob ihrer Steifigkeit. Fertigungstechniker aber runzeln die Stirn; denn hier treffen zwei sehr unterschiedliche Werkstoffe in einem Verbund zusammen – Fasern und Kunststoff. Beide führen bei der Bearbeitung zum Dilemma: So geht ein Fräser butterweich durch den Kunststoff, kann sich aber an den harten Fasern die Schneide verschleißen.

Diese unterschiedlichen Materialeigenschaften machen die Wahl des richtigen Verfahrens und Werkzeugs relativ schwer. Fertigungstechniker in der Industrie suchen derzeit nach schnelleren, sichereren und produktiveren Verfahren, um mit CFK umzugehen. An mehreren Gliedern in der Prozesskette setzt sich nun der Laser als geeignetes Werkzeug zur FVK-Bearbeitung durch: beim Schneiden der Roh- und Bauteile, beim Schichtabtrag zur Klebevorbereitung sowie beim Fügen von Metall mit Kunststoff.

Laserschneiden von CFK spart auf Dauer Geld

Die grundsätzliche Herausforderung beim Schneiden von Faserverbundwerkstoffen ist, dass das Material widerspenstig und empfindlich zugleich ist. Das stellt alle mechanischen Bearbeitungsverfahren vor Probleme. Beim Wasserstrahlschneiden mit Abrasivmitteln nimmt etwa die faserige Schnittkante durch Fremdpartikel leicht Schaden oder wird feucht, wodurch sich die Fasern von der Matrix lösen können. Beim Schneiden wirken außerdem starke Kräfte auf das Werkstück ein. Im Ergebnis ist die Qualität des Schnittes oft nicht besonders gut und Fasern stehen heraus.

Diese Gefahr besteht auch bei spanenden Prozessen. Der Nachteil dabei liegt jedoch hauptsächlich in den hohen Bearbeitungskosten. Denn Fräser oder Bohrer verschleißen rasch an den harten Fasern und müssen mehrmals pro Schicht gewechselt werden. Auch wenn sich Materialdicke und -beschaffenheit ändern, ist oft ein Werkzeugwechsel fällig. Diese Umrüstpausen kosten Zeit, die ständig neuen Werkzeuge viel Geld. Und um unter diesen Bedingungen in der Produktion eine gleichbleibend hohe Qualität zu garantieren, ist eine ständige Werkzeugüberwachung nötig – also ein weiterer Kostenfaktor.

Schonende CFK-Bearbeitung mit dem berührungslosen Werkzeug Laser

Die Vorteile des Laserlichts sind schnell ersichtlich: Das Werkzeug Laser verschleißt nie und arbeitet berührungslos am Werkstück. Hersteller erreichen eine konstant hohe Qualität und reproduzierbare Ergebnisse. Lasertechniker haben es inzwischen auch geschafft, die Unterschiede bei Materialdicke und -beschaffenheit im laufenden Prozess automatisch über einmal hinterlegte Parameter auszugleichen. Doch es gibt noch mehr Gründe, warum Licht das beste Schneidwerkzeug für CFK ist. Denn Laserstrahlen belasten das Bauteil mechanisch nicht. Darum ist es auch möglich, sehr dünne oder filigrane CFK-Teile genau zu bearbeiten. In puncto Geometrie und Kontur ist der Lichtstrahl dabei sehr frei nutzbar, da die Bearbeitungsoptik keinen Kontakt zum Werkstück braucht und über 150 mm vom ihm entfernt ist. So kommt der Laserstrahl problemlos auch an enge Bauteilbereiche heran.

Beim Laserschneiden von Carbonfasern und CFK handelt es sich um eine Sublimation: Das heißt, das Material, das mit hoher Energie exakt getroffen wird, verdampft sofort. Dabei entsteht keine Schmelze, die ausgetrieben werden muss. Der Schnitt ist glatt, keine Faser steht über. Die Wärmeeinflusszone an der Schnittkante ist minimal und hat nach heutiger Erkenntnis keinerlei Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Bauteils.

Preforms nach Beschnitt sofort nutzen

Die Präzision des Lasers wirkt sich auch beim Schneiden von Preform-Materialien positiv aus. Preform-Materialien sind trockene, textile Halbzeuge – also quasi Matten, die noch ungehärtet und daher flexibel sind. Für die Herstellung der Preforms legt man die Matten nach dem Zuschnitt in ein Werkzeug, in dem sie unter Temperatureinfluss zu einem 3D-Preform werden. Dann werden die Preforms zum Beispiel im sogenannten Resin-Transfer-Moulding-Prozess (RTM) mit der Matrix aus Kunstharz infiltriert, die trocknet und aushärtet. So entstehen CFK-Bauteile mit komplexer, dreidimensionaler Geometrie.

Laserlicht schneidet die Preforms dabei endkonturnah in einer Qualität und Geschwindigkeit zu, die andere Trennverfahren, wie etwa ein Ultraschallmesser, nie erreichen. Lasergeschnittene Preforms haben eine klare, fixierte Naturkante ohne überstehende Fasern. Das vereinfacht das weitere Handling und macht Nachbearbeitungsschritte, wie Schleifen, überflüssig. Die Preforms können sofort nach dem Laserbeschnitt in die RTM-Form eingelegt und infiltriert werden.

Deutlich schneller als Wasserstrahl oder Fräser

Es gibt zwar viele Faser-Matrixwerkstoffe, doch für die Laserbearbeitung ist das kein Problem, weil es auch unterschiedliche Laserstrahlquellen gibt. Festkörperlaser eignen sich hervorragend dazu CF-Halbzeuge oder CF-Gewebe und -Gelege zuzuschneiden: Das Licht koppelt vorzüglich in die Fasern ein. Für CF mit einer Stärke von unter 0,5 mm reicht eine Leistung von 1 kW für eine Bearbeitungsgeschwindigkeit von über 20 m/min – das ist zwei- bis dreimal schneller als Wasserstrahlen oder Fräsen.

Bei CFK-Teilen oder glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) greift man zum CO2-Laser, für den die Glasfasern und der Matrixwerkstoff intransparent und somit gut bearbeitbar sind. Ab einer Materialstärke von 2 mm schneidet ein 5-kW-Laser mit einer Geschwindigkeit von 10 m/min, was auch um den Faktor zwei bis drei schneller ist als konventionelle Verfahren. Außer den hier genannten FVK-Arten, bearbeiten Laser auch noch viele andere FVK-Kombinationen wie zum Beispiel Verbunde mit Naturfasern oder Kombinationen aus GF und CF.

Ultrakurzpulslaser beschleunigt Klebe-Prozesse

Außer dem Schneiden sind mit dem Laser noch andere Bearbeitungen an CFK möglich. Die wichtigste davon ist das Abtragen. Dabei verdampfen Laserstrahlen die oberste Schicht der Werkstoffe sehr präzise. Dieses Verfahren ist zur Vorbereitung für das Kleben besonders nützlich, für das der Abtrag oder das Anrauen der obersten Werkstoffschicht für eine gute Haftung erforderlich ist. Der Laser bearbeitet hier exakt nur den benötigten Bereich. Auch dabei ist eine weitere Stärke des Lichts seine Geometriefreiheit: Problemlos können auch runde Bauteile für das Kleben vorbehandelt werden, indem der Laser deren Geometrie genau folgt.

Für eine großflächige, sehr schnelle Bearbeitung kommt bei der Klebevorbereitung ein CO2-Laser als Strahlquelle zum Einsatz. Sollen exakt definierte kleine Bereiche mit höchster Qualität bearbeitet werden, können Ingenieure seit ein paar Jahren auf industriell ausgereifte Ultrakurzpulslaser zurückgreifen. Diese erzeugen Lichtpulse mit einer Dauer von wenigen Piko- oder gar Femtosekunden. So lassen sich feinste Bereiche nur wenige Nanometer tief abtragen – ohne gratbildende Schmelzreste und qualitätsmindernde Materialerwärmung. Diese Technik erhöht die Präzision der Bearbeitung zusätzlich erheblich. Nieten oder Kleben sind heute die gängigen Verfahren, um CFK und Metall zu fügen.

Laser erfüllen viele Konstrukteurs-Wünsche

Dabei können Laser die Bohrungen für den Nietprozess einbringen und die obere Lackschicht zur Klebevorbereitung abtragen. Beide Verfahren – Nieten und Kleben – bedeuten in der Produktion jedoch einen weiteren Arbeitsschritt und den Gebrauch zusätzlichen Materials.

Darüber hinaus gibt es für beide Methoden lästige geometrische Restriktionen: Man muss etwa einen Fügeflansch anbringen oder das Bauteil muss zugänglich für das Nietwerkzeug sein. Darum suchen Fertigungstechniker nach eleganteren Verbindungslösungen und sind beim Laser fündig geworden. Mit ultrakurzgepulstem Laserlicht ist es möglich, Metall und faserverstärkten Kunststoff formschlüssig miteinander zu kombinieren.

Um Metall und thermoplastische Kunststoffe sogar zu verzahnen, bereiten Ultrakurzpulslaser den metallischen Fügepartner vor, indem sie hinterschnittige Strukturen einarbeiten. Das so strukturierte Metallteil wird auf eine Temperatur gebracht, bei der der polymere Fügepartner schmilzt. Je nachdem, was besser zu Bauteil oder Fertigungskette passt, übernimmt das ein Induktor, ein Ofen oder ein anderer Laser. Drückt man nun das heiße Metall und den Kunststoff aneinander, fließt Letzterer in die Hinterschneidungen und geht nach dem Erkalten eine formschlüssige Verbindung mit dem Metallteil ein – ohne Zusatzmaterial. Die Festigkeit ist höher als beim Kleben – sowohl statisch als auch dynamisch. So werden auch flüssigkeitsdichte Verbindungen ohne zusätzliche Dichtung, wie etwa für Druckbehälter oder Außenhautbauteile, machbar. Typische Flächenraten liegen für Aluminium bei circa 6 cm²/s. Bei Stahl ist der Wert etwas geringer.

Exakte Energie-Kontrolle für filigranes Arbeiten

Konstrukteure aus der Automobilindustrie und Luftfahrt sehen oft metallische Bauteile in FVK-Teilen vor – sogenannte Inserts. Das können Gewindehülsen sein, über die weitere Bauteile montierbar werden, wie etwa ein Scharnier für einen CFK-Heckdeckel. Auch dabei generiert der Ultrakurzpulslaser eine hinterschnittige Struktur am Insert und ermöglicht die elegante Verbindung mit dem duroplastischen (nicht schmelzbaren) Kunststoff der Matrix: Vor dem Infiltrieren der Bauteile mit der Matrix, legt man das strukturierte Metallbauteil in das Preform-Textil ein. Im ausgehärteten Teil, hält das mit Hinterschnitten versehene Insert aufgrund der formschlüssigen Verbindung fest im Composite.

Der Laser wird sich durchsetzen

Der Laser ist zur Zeit auf dem besten Weg, auch für die CFK-Bearbeitung zu einem Standardwerkzeug zu werden. Die wichtigsten Argumente sind im Prinzip die gleichen wie bei der Blechverarbeitung: ein schneller Prozess sowie die verschleißfreie und berührungslose Bearbeitung. Laser bieten neue Freiheiten, weil komplexe Geometrien leichter umsetzbar werden als bei üblichen mechanischen Verfahren.

Der Energieeintrag in das Werkstück ist bei der Bearbeitung mit dem Laser exakt kontrollierbar, sodass auch filigrane Arbeiten an extrem dünnen Materialien vergleichsweise leicht gelingen. Die relativ jungen industriell einsetzbaren Ultrakurzpulslaser sorgen für eine sogenannte „kalte“ Bearbeitung, also mit einem Wärmeeintrag nahe null, und stoßen das Tor für neuartige Anwendungen weit auf. Mit diesen Vorteilen wird das Potenzial des Lasers bei der Bearbeitung moderner Werkstoffe deutlich – der Laser wird für die CFK- und GFK-Teilefertigung mit Sicherheit immer öfter das Mittel der Wahl sein. MM

(ID:43419287)