Verbundwerkstoffe Wärmeeinfluss beim Laserschneiden auf Randbereiche begrenzt

Autor / Redakteur: Claus Emmelmann und André Goeke / Rüdiger Kroh

Auf der Basis neuer Laserstrahlquellen und moderner Handhabungssysteme wurde ein Laserstrahl-Schneidwerkzeug entwickelt und bei der Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen erprobt. Erste Ergebnisse zeigen, dass sich die Wärmeeinflusszonen an den Schneidkanten deutlich begrenzen lassen.

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Bild 1: Das neue Laserstrahl-Schneidwerkzeug kann die hohe 3D-Bewegungsfreiheit eines Industrieroboters voll nutzen.Bild: TUHH
Bild 1: Das neue Laserstrahl-Schneidwerkzeug kann die hohe 3D-Bewegungsfreiheit eines Industrieroboters voll nutzen.Bild: TUHH
( Archiv: Vogel Business Media )

Beim Trennen von metallischen Werkstoffen zählt das Laserstrahlschneiden seit etwa 1970 zum Stand der Technik. Bei Kohlefaser-Verbundkunststoffen hat es sich dagegen noch nicht durchgesetzt [1]. Verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide, wie etwa das Fräsen oder Bohren, gehören ebenfalls zum gesicherten Know-how [2]. Probleme gibt es bei diesen Technologien jedoch aufgrund des hohen abrasiven Werkzeugverschleißes und der niedrigen Bearbeitungsgeschwindigkeiten sowie der daraus resultierenden niedrigen Produktivität.

In den späten 1980er und frühen 1990er Jahren wurden verschiedene Untersuchungen zur Lasermaterialbearbeitung von Faser-Verbundwerkstoffen, wie etwa Glaserfaser-Verbundkunststoffen (GFK) oder Kohlefaser-Verbundkunststoffen (CFK), durchgeführt. Die zu diesem Zeitpunkt verfügbaren Laserstrahlquellen führten zu nicht optimalen Ergebnissen. Seit dieser Zeit wurden auf dem Gebiet der Laserstrahlquellen große Fortschritte erzielt, zum Beispiel durch die Entwicklung diodengepumpter Festkörper- oder Faserlaser hoher Brillanz.

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Fräsen und Wasserstrahlschneiden weisen eingeschränkte 3D-Fähigkeit auf

Heute sind Verfahren mit geometrisch bestimmter oder unbestimmter Schneide, wie etwa das Fräsen oder das Wasserstrahlschneiden, industriell etabliert. Diese Verfahren weisen nur eine geringe Produktivität und eine eingeschränkte 3D-Fähigkeit auf. In vorangegangenen Untersuchungen des Instituts für Laser- und Anlagensystemtechnik (iLAS) der TU Hamburg-Harburg (TUHH) sowie dessen industrieller Partner konnte das Laserstrahltrennen sein großes Anwendungspotenzial zur Bearbeitung von CFK-Bauteilen unter Beweis stellen, zum Beispiel bei der Bearbeitung von Bauteilen für den Flugzeugbau sowie den Sportgerätebereich [3].

Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden das Entfernen von herstellungsprozessbedingten Graten und die Konturbearbeitung von CFK-Bauteilen mittels eines Yb:YAG-Scheibenlasers sowie eines konventionellen Laserstrahl-Schneidwerkzeuges untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Bearbeitung mit hoher Produktivität bei gleichzeitig hoher Qualität möglich ist. Es wurde jedoch festgestellt, dass das konventionelle Laserstrahl-Schneidwerkzeug für diesen Anwendungsfall nicht geeignet war, so dass ein neues Werkzeugkonzept entwickelt werden musste.

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.

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.

(ID:282008)