Suchen

Laserbearbeitung auf der JEC World 2020 So punktet der Laser bei der Compositbe- und -verarbeitung

| Redakteur: Peter Königsreuther

Die JEC World in Paris lässt es composittechnisch vom 3. bis 5. März in Paris wieder krachen. Mit dabei sind die Forscher des Fraunhofer ILT aus Aachen, die zeigen, was der Laser in Bezug auf CFK, GFK & Co. alles kann.

Firmen zum Thema

Zur JEC World in Paris präsentieren die Experten des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik (ILT) aus Aachen unter anderem hybride Testbauteile, die aus Magnesium und Polypropylen (PP) mit 30 % Glasfaserverstärkung aufgebaut sind. Sie dienen für Crashversuche, heißt es. Zu sehen sind sie vom 3. bis 5. März in Halle A5 am Stand L97.
Zur JEC World in Paris präsentieren die Experten des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik (ILT) aus Aachen unter anderem hybride Testbauteile, die aus Magnesium und Polypropylen (PP) mit 30 % Glasfaserverstärkung aufgebaut sind. Sie dienen für Crashversuche, heißt es. Zu sehen sind sie vom 3. bis 5. März in Halle A5 am Stand L97.
(Bild: Fraunhofer ILT)

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) stellt auf der JEC World 2020 unter anderem Forschungsergebnisse zum Alterungsverhalten thermisch gefügter Kunststoff-Metall-Hybridverbindungen vor, wie es heißt. Im Rahmen dieser Multimaterial-Bauweise kommen verschiedene, an lokale Belastungen angepasste Werkstoffe zum Einsatz, die, wie die Forscher betonen, neue Wege bei der Gewichtsoptimierung ermöglichen. Halle A5 am Stand L97 (AZL-Gemeinschaftsstand).

Kunststoff-Metall-Hybride verbindet der Laser konkurrenzfähig

„Wegen der physikalischen und chemischen Ungleichheit der verwendeten Materialien fordert eine Hybridbauweise die Verbindungstechnik heraus – vor allem, wenn es um einen Kunststoff-Metall-Mix geht“, erklärt Kira van der Straeten, wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Gruppe Mikrofügen am Fraunhofer ILT. Dazu komme noch, dass unterschiedliche Materialeigenschaften, wie etwa die thermische Ausdehnung und der Effekt der korrosiven Unterwanderung, solche Hybridverbindungen stark beanspruchten. Das Alterungsverhalten der Verbindung spielt laut van der Straeten deshalb für die Langzeitstabilität von Hybridbauteilen eine Hauptrolle.

Mit dem Institut für Schweiß- und Fügetechnik (ISF) der RWTH Aachen University wurden deshalb im Projekt AGeD adäquate Oberflächenvorbehandlungs- und Fügeverfahren sowie verschiedene Materialkombinationen untersucht, und im Rahmen dessen die Gebrauchseigenschaften der Hybridverbindungen getestet, erklärt die ILT-Expertin. Um Aussagen über die Langzeitstabilität der Verbindungen zu bekommen, hat man die Hybridverbindungen aus unterschiedlichen Metall-Kunststoff-Kombinationen dabei Klimawechsel- und Korrosionstests unterzogen.

Das IGF-Projekt „AGeD – Untersuchung verschiedener Vorbehandlungs- und Fügemethoden im Hinblick auf das Alterungsverhalten und die Gebrauchseigenschaften beim Thermischen Direktfügen von Metallen und Kunststoffen“ mit Laufzeit von 2,5 Jahren wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

Ideale Fügealternative für Automobil-, Luft- und Raumfahrtbranche

Speziell die Ergebnisse der Zugscherprüfung vor und nach Klimawechseltests von laserstrukturierten und lasergefügten Hybridverbindungen zeigten, wie die Forscherin betont, keine signifikante Abnahme der Verbundfestigkeit. Auch habe sich bei Korrosionstests kein nachweisbarer negativer Einfluss auf die Zugscherfestigkeit ergeben. Van der Straeten zu den Erkenntnissen des im Auftrag des BMWi durchgeführten Projekts: „Die Resultate beweisen klar, dass laserbasierte Verfahren im Vergleich mit anderen Fügetechniken konkurrenzfähig sind und sich auch noch für sehr viele Kunststoff-Metall-Hybridverbindungen eignen.“ Aufgrund der guten Langzeitstabilität unter verschiedensten Umwelteinflüssen sei dieser alternative Fügeansatz besonders für Anwendungen im Automobilbau oder in der Luft- und Raumfahrtbranche ideal.

Feste Fügung durch laserinduzierte Mikrostrukturen in Magnesium

Außerdem wurde zusammen mit dem Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen University ein Verfahren aus der Taufe gehoben, dass speziell für das Fügen von Kunststoffen mit Magnesiumblechen entwickelt ist. Auf der JEC World machen die Aachener im Zuge dessen klar, wie sich mittels Spritzguss und Lasermikrostrukturierung extrem leichte Bauteile herstellen lassen, heißt es weiter.

Die Magnesiumbleche werden dabei per Faserlaser unter vor Oxidation schützender Argonatmosphäre mikrostrukturiert und dann in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt. Das Magnesiumblech wird anschließend mit Kunststoffschmelze hinterpritzt, die sich in die Mikrostrukturen „verkrallt“. So entsteht ein belastbarer Hybridverbund, wobei der Kunststoff mit dem Blech eine adhäsive Verbindung eingeht, erklärten die ILT-Laserexperten. Durch diesen sogenannten Formschluss sollen sich auch chemisch unterschiedliche Werkstoffe leicht miteinander verbinden lassen.

Die Versuche ergaben, dass sich mit dem Verfahren durch eine Anpassung der Strukturgeometrie und -anordnung Zugscherfestigkeiten von über 28 MPa erreichen lassen, wie die Forscher betonen. Diese Werte seien deutlich höher als die sonst unter Verwendung eines Haftvermittlers erreichbaren Festigkeiten für Strukturverklebungen, die in der Regel auf nur circa 10 MPa kämen.

Insertfixierung mit Laserunterstützung bringt belastbarere Ergebnisse

In Paris gezeigt wird auch, wie mit einem robotergeführten Ultrakurzpuls-Laser (UKP-Laser) 3D-geformte CFK-Halbzeuge (Preforms) prozesssicher und effizient gebohrt werden können. Im Rahmen des Projektes CarboLase haben fünf Projektpartner aus Forschung und Industrie dazu eine Roboterzelle mit automatisierter Prozesskette zur Herstellung der laserbearbeiteten Preforms am Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen University entwickelt, sagt das ILK.

Der UKP-Laserstrahl wird dabei von der Strahlquelle über eine Hohlkernfaser zu einem auf dem Knickarmroboter montierten Galvo-Scanner geführt, erklären die Beteiligten. Die spiegellose Strahlführung erlaube es aufgrund des stabilisierten Laserstrahls, dass der Laser den sehr dynamischen Bewegungen des Scanners über die CFK-Preform dennoch problemlos folgen könne. Der robotergeführte UKP-Laser bohrt wegen des defektfreien und präzise ablaufenden Laserabtrags passgenaue Bohrungen, die zum Beispiel für die Platzierung von Inserts nutzbar sind, heißt es. Außerdem entstehe wegen der abschließenden Matrixinfusion auch ohne Klebstoffeinsatz eine zuverlässige und prozesssichere Multimaterialverbindung. Die direkt mit dem Matrixwerkstoff verbundenen Inserts erreichen im Vergleich zu konventionell per Kleber fixierten Inserts außerdem eine um bis zu 50 % höhere maximale Auszugkraft, merken die Aachener an.

„Das dynamische UKP-Laserbohrverfahren ist insbesondere für Leichtbauteile in der Luftfahrt und dem Automobilbau interessant“, so Stefan Janssen, Wissenschaftler in der Gruppe Mikro- und Nanostrukturierung am ILT. Das sehr gut automatisierbare Verfahren könne wegen der höheren Belastbarkeit der Verbindungselemente den Aufwand für Material und Kosten bei der Herstellung von CFK-Bauteile senken.

Das Projekt „CarboLase – Hochproduktive, automatisierte und maßgeschneiderte Just-in-Time FVK-Bauteilfertigung“ wurde aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 46354451)