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RWTH Aachen Wie der Laser die Applikation von Inserts in Composites optmiert

Autor / Redakteur: Sebastian Oppitz und Thomas Gries / Peter Königsreuther

Der Hybridleichtbau steht angesichts der Forderung nach energie- und materialeffizienten Produkten und Systemen hoch im Kurs der Entwickler. Dazu gehören auch neue Fügetechniken für Materialmix-Teile. Forscher aus Aachen setzen dabei auf den Laser als Helfer.

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Eine Alternative, mit der Krafteinleitungselemente (Inserts) zur wirtschaftlicheren Montage von Hybridbauteilen in Composites implementiert werden können, geschieht per Laserstrahlbearbeitung.
Eine Alternative, mit der Krafteinleitungselemente (Inserts) zur wirtschaftlicheren Montage von Hybridbauteilen in Composites implementiert werden können, geschieht per Laserstrahlbearbeitung.
(Bild: ITA)

Der Bedarf an Bauteilen aus Faserverbundkunststoffen (FVK) steigt aufgrund der wachsenden Bedeutung von Energie- und Ressourceneffizienz unter der gleichzeitig laut werdenden Forderung nach höherer Bauteilperformance stetig an [1, 2, 3]. Aufgrund des hohen Leichtbaupotenzials dieser Werkstoffe wächst simultan auch der Bedarf an FVK-Bauteilen für „Multi-Material-Design“-Anwendungen.

Bei diesem Ansatz wird durch die Kombination von Materialien die Leistung und Wirtschaftlichkeit von Baugruppen gesteigert. [4]

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Projekt verbessert Insert-Anwendungen

Die Realisierung lösbarer und flexibler Schnittstellen zur Montage von Baugruppen ist eine zentrale Herausforderung für den erfolgreichen Einsatz von FVK-Bauteilen (Bild 1). Metallische Funktionselemente (Inserts mit Innen- oder Außengewinden) sind dazu vielversprechende Bindeglieder. [4, 5, 6]

Aktuell werden Krafteinleitungselemente in oder auf die harten FVK-Bauteile geklebt. In beiden Fällen sind die aufwändige Vorbereitung der Klebestellen sowie das Aushärten der Klebstoffe notwendig. Das vorhandene Potenzial, um Auszugskräfte von Krafteinleitungselementen durch eine last- und werkstoffgerechte Gestaltung von Inserts und Fügestellen zu steigern sowie Prozessschritte zu sparen, wird so noch nicht voll ausgeschöpft. [6, 7]

Das Ziel des sogenannten „Laserinsert“-Projektes ist es nun, die gegebenen Chancen deutlich besser zu nutzen. Bei der Produktion von Faserverbundbauteilen werden textile Vorformlinge, sogenannte Preforms, in Flüssigimprägnierverfahren mit polymeren Matrices infiltriert und konsolidiert [5]. Kerninnovation des Projektes ist ein hybrider Lösungsansatz aus der Textiltechnik und Photonik, dargestellt in Bild 2. Die Lasermaterialbearbeitung mittels ultrakurz gepulster (UKP) Laserstrahlung wird in den Prozess der Preformherstellung integriert. Passgenaue Aussparungen für innovative werkstoff- und prozessgerechte Inserts werden in die laserstrahlgebohrten Preforms eingebracht. Der Verbund wird im Anschluss gemeinsam mit einem Harz getränkt und ausgehärtet.

Durch die Lasermaterialbearbeitung ist ein verschleißfreier Materialabtrag mit höchster Präzision und hoher Geometriefreiheit gewährleistet. Der Einsatz der UKP-Laserstrahlung bietet zudem gegenüber kommerzieller Laserstahlquellen die Möglichkeit der „kalten“ Materialbearbeitung. Ein großflächiger Wärmeeintrag sowie eine Schädigung der Textilien oder Verhärtung von Schnittkanten werden verhindert.

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