Wie der Laser die Applikation von Inserts in Composites optmiert

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Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen

RWTH Aachen Lehrstuhl für Textilmaschinenbau und Institut für Textiltechnik (ITA

Vergleichstests bestätigen die Qualität

Um die Leistungsfähigkeit der neuen Fügeverbindung zu demonstrieren, werden FVK-Probekörper hergestellt und die Inserts durch Zugversuche aus dem Verbund gerissen. Es werden Proben laserstrahlgebohrt, Inserts integriert und im Anschluss konsolidiert. Die laserstrahlgebohrten Proben werden durch den Vergleich mit einem Benchmark nach dem aktuellen Stand der Technik validiert.

Der Benchmark wird durch drei unterschiedliche Probenvarianten repräsentiert. Erstens durch auf das harte Material geklebte Inserts, zweitens werden harte Proben gebohrt und Inserts eingeklebt und drittens werden Inserts unter einer Lage Textil auf den restlichen Lagen positioniert. Die erforderliche Aussparung für den Insert wird per 2D-CNC-Zuschnitt realisiert. Für alle Probenvarianten werden Inserts mit einem ISO M6 Innengewinde verwendet. Die geprüften Probenvarianten werden in Bild 3 (rechts) dargestellt.

Die jeweiligen Proben werden aus zehn Einzellagen Carbonfasergelege mit einem Flächengewicht von 400 g/m² hergestellt. Die Dicke der Proben nach der Konsolidierung beträgt 4 mm. Es werden je Variante fünf Proben mit einer Fläche von 10 cm × 10 cm hergestellt. Die Inserts werden über eine hochfeste Prüfschraube auf Zug belastet und aus dem Verbund mit einer Zugprüfmaschine gerissen. Die Zugkraft wird bis zum Versagen über die Zeit sowie den Prüfweg aufgenommen.

Die Versuchsergebnisse zeigt auch das Bild 3. Die erforderlichen Auszugskräfte der laserstrahlgebohrten Proben liegen teilweise über 18 kN und damit deutlich über denen des Benchmarks. Im Vergleich zu den aufgeklebten Inserts, können die erforderlichen Kräfte zum Versagen der Fügestelle um annähernd 800 % gesteigert werden. In Relation zu den Probenvarianten mit eingeklebten Krafteinleitungselementen kann immerhin noch eine Steigerung von über 100 % erzielt werden.

Der Laser beeinträchtigt den Harzfluss nicht

Für komplexe Bauteile und hohe Stückzahlen erfolgen das Infiltrieren der Preforms sowie das Aushärten durch den Einsatz sogenannter Resin-Transfer-Molding-Verfahren (RTM). Dabei werden die Preforms in ein mehrteiliges Werkzeug gelegt. Das Werkzeug geschlossen und ein Harz unter erhöhtem Druck in den textilen Preform injiziert. Danach härtet das Teil zum konsolidierten FVK-Bauteil aus. Ergänzend zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften der Fügestelle durch Auszugsversuche, müssen aber auch die Auswirkungen der Lasermaterialbearbeitung auf das Fließverhalten des Harzes im textilen Preform untersucht werden. Zur Klärung dieser Fragestellung werden Proben aus fünf Einzellagen Carbonfasergelege per UKP-Laser (Ultrakurzpuls) mittig und quer zur Injektionsrichtung zerteilt.

Anschließend werden die Proben mithilfe der Vakuuminfusion mit einem Harz getränkt. Die Fließfront des Harzes im Textil wird durch optische Bildauswertung erfasst sowie dessen Fließgeschwindigkeit vor und nach der Trennstelle bestimmt. Zusätzlich wurden weitere Proben ohne Trennschnitt gefertigt und Vergleichsproben mit konventionell im Rahmen der Preformherstellung genutzten Werkzeugen zerteilt (Schere, 2D-CNC-Cutter und Ultraschallmesser). Auch dafür erfolgt die Fließfrontanalyse des Harzes. Ein Vergleich der Ergebnisse offenbart, dass die Materialbearbeitung per Laser den Harzfluss im Textil nicht beeinflusst. Auch ein Unterschied zu konventionellen Zuschneideverfahren kann nicht erkannt werden.

Mit dem „Laserinsert“-Projekt wird das vorhandene Potenzial der Lasermaterialbearbeitung für die Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundkunststoffen erfolgreich demonstriert. „Laserinsert“ ist ein durch öffentliche Mittel gefördertes ZIM-Projekt. Außer dem Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen sind das Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT) sowie die Firmen Lunovu GmbH, Amphos GmbH, Kohlhage Fasteners GmbH & Co. KG sowie die Schmalz GmbH beteiligt. MM

Literatur

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Artikel, Zeitschrift Kunststofftechnik 9. Auflage (2013), Carl Hanser Ver-lag, München, 2013, S. 178-206

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