Passwort vergessen?  | 
 |  Passwort vergessen?  | 
Suche
  • Login
  • Login

Donnerstag, 10. August 2017, Ausgabe Nr. 32

Donnerstag, 10. August 2017, Ausgabe Nr. 32

Produktion

Laser schafft sichere Verbindung

Von Stefan Asche | 19. August 2016 | Ausgabe 33

Carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) zeichnet sich durch hohe Steifigkeit bei gleichzeitig geringer Masse aus. Dank dieser Eigenschaften wird er für immer mehr Anwendungsbereiche interessant. Problematisch sind Verbindungen zu anderen Bauteilen. Zwei neue Ideen aus der Fraunhofer-Gesellschaft können Abhilfe schaffen.

BU CFK Insert
Foto: Fraunhofer ILT

Scharfe Kanten: Mittels Ultrakurzpulslaser lassen sich verschiedenste Geometrien in unkonsolidiertes CFK-Gewebe schneiden. Das ermöglich neue Insert-Formen und höchste Festigkeiten.

Eine Motorhaube aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) wiegt nur etwa 5 kg. Die übliche Blechvariante ist mehr als doppelt so schwer. Ein Austausch kann also helfen, Kraftstoff einzusparen. Wie aber lassen sich Scharnieraufhängungen oder Schnapphaken an das Leichtbauteil anbringen? Bisher wird meist geklebt. Das setzt allerdings aufwendige Vorarbeiten voraus: Die betroffenen Stellen müssen gesäubert, angeraut und aktiviert werden. Trotzdem ist die Haltbarkeit einer Klebeverbindung begrenzt.

Ultrakurzpulslaser vereinfacht die Metallisierung von CFK-Bauteilen

Deutlich belastbarere Ergebnisse verspricht ein Verfahren, dass ein Forschungsverbund in Aachen unter Leitung des Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT) entwickelt hat. Es ersetzt den Kleber durch Schraubverbindungen. Ganz neu ist diese Idee nicht. Neu aber ist, wie und wann die metallischen Krafteinleitungselemente (Inserts) in das Bauteil integriert werden.

Metallbohrer würden im CFK schnell verschleißen

Bisher werden die benötigten Löcher oftmals mit Bohrern und Fräswerkzeugen eingebracht. Der Werkzeugverschleiß ist dabei aufgrund der Abrasivität des CFK sehr hoch. Außerdem drohen kaum zu reparierende Delaminationen und Matrixschäden.

Foto: Fraunhofer ILT

Freigelegt: Die äußere Harzschicht wurde mit einem Laser abgetragen. Das Carbongeflecht blieb dabei unversehrt. Auf den freigelegten Bereich kann nun ein genauso präpariertes Bauteil gelegt und einlaminiert werden. Von außen einwirkende Kräfte werden dann auf die Fasern übertragen.

Deshalb nutzen die Aachener Wissenschaftler einen Ultrakurzpuls-Laser mit 400 W mittlerer Leistung. Er entfernt beliebige Formen aus dem geschichteten Textil. Dabei kann die Pulsdauer auf bis zu 700 Femtosekunden reduziert werden. Das sind unvorstellbar kurze 7-13 s. Entsprechend sauber sind die Schnittkanten. Denn bevor sich das umgebende Material erwärmen und dadurch verformen kann, sind die Zielstrukturen bereits verdampft und der Energieeintrag ist schon wieder beendet.

Eine Besonderheit des Fraunhoferverfahrens ist, dass der Laser schon zum Einsatz kommt, bevor das Kohlefasergewebe mit Harz getränkt wird. Nur so sind hohe Pulsfrequenzen möglich. Sie können im Bereich von mehreren hundert Kilohertz liegen. Zwar treten dann trotz der kurzen Pulsdauer Wärmeakkumulationseffekte auf, das macht der Faser aber nichts aus. Sie ist bis 3700 °C stabil. Jedes Harz wäre bei solchen Temperaturen längst geschmolzen – was Strukturschwächen zur Folge hätte.

Tests haben erwiesen, wie stabil Verbindungen sind, die mit dem Verfahren erstellt wurden. „Ein Insert, das wir mit unserer Methode integrieren, hält mehr als doppelt so großen Auszugskräften stand wie ein Schraubelement, dass nachträglich in ein bereits konsolidiertes Bauteil eingeklebt wird“, so Entwickler Stefan Janssen. „Und die Widerstandsfähigkeit gegenüber Drehmomenten ist im selben Vergleich um immerhin 70 % größer.“

Prozessgeschwindigkeit des Verfahrens ist für Massenfertigung noch zu gering

Kleiner Wermutstropfen: Das Verfahren setzt Modifikationen an den in der Serienfertigung üblicherweise genutzten Formen (Resin Transfer Moulds) voraus. „Die Ober- und Unterseite müssen so angepasst werden, dass kein Harz in die Inserts gepresst wird“, so Janssen.

Ein weiterer Knackpunkt ist die Prozessgeschwindigkeit. Der 30-Jährige räumt ein: „Es dauert ungefähr eine Minute, um ein sternförmiges Insert-Loch mit 8 mm Durchmesser und hoher materialographischer Qualität in ein Bauteil zu lasern, das aus zehn Gewebelagen besteht. Für die Massenfertigung, etwa im Automobilbereich, ist das oftmals zu langsam.“

Eine innovative Lösung zum Verbinden von zwei fertig laminierten CFK-Bauteilen hat Christian Hördemann, ebenfalls vom Fraunhofer ILT, entwickelt. Bisher wird auch in diesen Fällen meist geklebt. Problematisch daran ist nicht nur der oben beschriebene Aufwand, sondern vor allem die hohe Bruchgefahr. Denn Kräfte, die auf die Klebestelle einwirken, werden nicht unmittelbar auf die Fasern übertragen. Direkt verbunden sind schließlich nur die Harzoberflächen.

Die logische Konsequenz: Das Matrixmaterial muss an den Stellen, an denen die beiden Bauteile verbunden werden sollen, entfernt werden. Das ist leichter gesagt als getan. Denn der Abtrag muss vollständig sein. Gleichzeitig aber dürfen die Fasern, die nur rund 5 µm stark sind, nicht in Mitleidenschaft gezogen werden.

Die Lösung dieses Dilemmas bietet wieder ein Ultrakurzpulslaser. Mit weniger als 10 W mittlerer Leistung verbrennt er peu à peu die Harzoberfläche. Optische Sensoren überwachen dabei kontinuierlich, wann das Gewebe erreicht wird. Dazu wird das Abtragsplasma analysiert.

Am Ende des Prozesses liegen die Fasern frei. Nun können die Teile aufeinander gelegt und neu laminiert werden. STEFAN ASCHE

stellenangebote

mehr