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Besäumen eines Dachspiegels eines Pkw aus carbonfaserverstärktem Kunststoff.(Bild: Fraunhofer ILT)

Kunststoffe und Metalle bieten jeweils spezielle Eigenschaften etwa bei Formbarkeit, Festigkeit oder Wärmeleitfähigkeit, die durch die Herstellung von Hybridbauteilen kombiniert werden können. Bei Hybridverbindungen müssen die Metalloberflächen zunächst vorbereitet werden. Dabei kommen die Mikrostrukturierung per CW-Laser oder die Mikro- oder Nanostrukturierung mit Ultrakurzpulslaser mit unterschiedlichen Maschinenkonzepten infrage. 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 stabile und formschlüssige Verbindungen mit verschiedenen thermoplastischen Kunststoffen ermöglicht.

Ein Single-Mode Faserlaser (mit 1064 nm Wellenlänge) bringt mit Flächenraten von bis zu 1.000 mm2 pro Sekunde präzise Hinterschnitte in die Magnesiumoberfläche ein, die sich im späteren Spritzgussverfahren mit Kunststoff ausfüllen lassen. Da keine Klebstoffe nötig sind, finden Alterungsprozesse zudem langsamer statt als bei konventionellen geklebten Verbindungen.

Materialschonende Trennverfahren für Composites

Beim Laserstrahlschneiden von Faserverbundmaterialien, insbesondere carbonfaserverstärkten Kunststoffen, zielt die Prozessauslegung auf eine möglichst kleine Wärmeeinflusszone. Gleichzeitig soll eine produktivitätsorientierte kurze Bearbeitungszeit eingehalten werden. Durch wiederholtes schnelles Scannen des Laserstrahls entlang der Schneidbahn entsteht ein sukzessiver, schonender Abtrag. Laserleistung, Scangeschwindigkeit und die Abkühlzeit zwischen den Scans beeinflussen dabei die Wärmeeinflusszone und die Bearbeitungszeit. Die Wissenschaftler optimieren diese Parameter und ermitteln so die materialabhängig besten Einstellungen, die bei hybriden aus einem Materialmix bestehenden Teilen auch innerhalb eines Bauteils adaptiert werden können. Selbst wenn so unterschiedliche Werkstoffe wie glasfaser- und kohlefaserverstärkte Kunststoffe getrennt werden sollen, die in übereinanderliegenden Schichten angeordnet sind, lässt sich ein Schnitt in nur einem Bearbeitungsschritt ausführen – präzise, ohne Verschleiß an Werkzeugen und dank der Verfügbarkeit von CW-Hochleistungslasern mit hoher Strahlqualität auch effizient.

Laserbohren für produktive CFK-Bauteilfertigung

Im Leichtbaubereich wird die Integration von Funktionselementen in CFK-Strukturbauteilen häufig über eingesetzte Gewindehülsen (Inserts) durchgeführt, in Preforms für Bauteile in der Automobil- und Flugzeugindustrie. Die Inserts werden dazu formschlüssig in typischerweise mechanisch gebohrte Bauteile eingesetzt und anschließend geklebt. Die Qualität und Festigkeit der Fügestelle hängen dabei maßgeblich von der Fehlerfreiheit des gebohrten Laminates und der Klebung ab. Besonders haltbare und hochqualitative Verbindungen entstehen, wenn das noch ungetränkte Carbonfasertextil mittels ultrakurz gepulster (UKP) Laserstrahlung gebohrt wird, in das anschließend Funktionselemente formschlüssig eingesetzt werden. Laserscanner ermöglichen auch anspruchsvolle Bohrkonturen wie sternförmige Formbohrungen und damit die Integration von belastungsangepassten Einlegeteilen. Im späteren Infusionsprozess dient die Matrix als Klebstoff zwischen den Carbonfasern und dem Insert, wodurch kein weiterer Klebstoff erforderlich ist. Durch UKP-Laserstrahlbearbeitung können sowohl Preforms als auch konsolidierte CFK-Bauteile hochqualitativ gebohrt werden. Die Prozesszeiten von typischerweise wenigen Sekunden bis zu einer Minute und die hohe Automatisierbarkeit unterstützen zudem einen produktiven Einsatz in der CFK-Bauteilfertigung.

Harald Wollstadt

HWollstadt
fester freier Redakteur Productronic, nach Vorlagen des Fraunhofer ILT

(hw)

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