Verbundwerkstoffe

Wärmeeinfluss beim Laserschneiden auf Randbereiche begrenzt

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Zur Realisierung eines industriell einsetzbaren Fertigungsprozesses wurde ein geeignetes Laserstrahlschneidwerkzeug entwickelt. Das Werkzeug integriert die Laserstrahlführung über Leichtleitfasern, um die hohe 3D-Bewegungsfreiheit eines Industrieroboters nutzen zu können. Darüber hinaus wurde eine Absaugvorrichtung zur Entfernung von Prozessemissionen sowie die Möglichkeit zur Prozessüberwachung mittels Bildverarbeitungssystemen vorgesehen. Dieses Werkzeug soll im Rahmen der laufenden Untersuchungen für industrielle Anwendungen qualifiziert werden.

Minimierung der Wärmeeinflusszone bei gleichzeitiger Maximierung der Produktivität

Das Ziel dieser Untersuchungen ist die Minimierung der Wärmeeinflusszone (WEZ) im Bereich der Schnittkante bei gleichzeitiger Maximierung der Produktivität. Dazu werden Untersuchungen zur Bestimmung des Einflusses der Prozessparameter auf die Ausdehnung der WEZ durchgeführt. Die Haupteinflussparameter sind im Ursache-Wirkungs-Diagramm dargestellt. Bei der Lasermaterialbearbeitung von Faserverbund-Kunststoffen sind Maßnahmen zum Schutz des Bedienpersonals vor Prozessemissionen sowie Laserstrahlung zu berücksichtigen. Diese Aspekte sind ebenfalls Inhalt der Untersuchungen.

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In ersten Untersuchungen wurden verschiedene Laserstrahl-Schneidköpfe und Optikkonfigurationen verglichen. Außerdem ist die Versorgung mit Prozessgas sowie die Abstandsmessung zwischen Werkzeug und Werkstück untersucht worden. Dabei zeigte sich, dass die Abstandsmessung durch Bildverarbeitungssysteme, zum Beispiel durch Photogrammetrie oder Streifenprojektion, für diese Anwendung geeignet ist. Durch thermogravimetrische Analysen (TGA) wurde die Abnahme der Masse der Matrix bei Temperatureinfluss in der WEZ untersucht. Anhand dieser Ergebnisse können die maximal zulässigen Temperaturen in der WEZ ermittelt und Grenzwerte definiert werden.

Auch zum Laserstrahlschneiden mit CO2-Lasern wurden erste Untersuchungen durchgeführt. Obwohl sie eine WEZ erkennen lassen, ist diese doch deutlich geringer als bei vorangegangenen Untersuchungen – sie beträgt üblicherweise nur 0,3 bis 0,9 mm. Das entspricht einer Reduktion um den Faktor 4 bis 8. In Abhängigkeit von Laserstrahlleistung und Laminatstärke sind Vorschubgeschwindigkeiten von mehr als 10 m/min realisierbar. Die Rauheit der Oberfläche ist mit Rz ≤ 30 µm vergleichbar mit den Ergebnissen konventioneller Verfahren. Im Rahmen der Untersuchungen sind weitere Verbesserungen bezüglich der Ausdehnung der WEZ sowie der Qualität der Schnittkante zu erwarten.

Literatur

[1] Liebelt, S.: Analyse und Simulation des Laserstrahlschneidens von Faserverbundkunststoffen, IPK Berlin, 1998.

[2] Hintze, W.: Machining of CFRP, Proceedings of 1st CFK-Valley Stade Convention 2007, Stade, 2007.

[3] Emmelmann, C. und A. Goeke: New Developments in Processing of Carbon Fibre Reinforced Plastics, Proceedings of 2nd CFK Valley Stade Convention 2008, Stade, 2008.

Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann leitet seit 2001 das Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik (iLAS) an der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) 21073 Hamburg. Dipl.-Ing. André Goeke ist seit 2007 wissenschaftlicher Mitarbeiter am iLAS und befasst sich vornehmlich mit der Lasermaterialbearbeitung von Faserverbundkunststoffen sowie dem Lasereinsatz im Flugzeugbau.

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