Forschung & Entwicklung -

Schnellere CFK-Fertigung mit Ultrakurzpulslaser und Roboter

Mit einem Ultrakurzpulslaser werden bereits in den textilen Preforms mikrometergenaue Löcher gebohrt und diese mit Verbindungselementen versehen. Anschließend wird das CFK-Bauteil ausgehärtet.

Faserverbundkunststoffe (FVK) vereinen die positiven mechanischen Eigenschaften ihrer Ausgangsmaterialien – hochfeste Fasern und eine robuste Kunststoffmatrix – zu einem Verbund mit hohen Festig- und Steifigkeiten bei geringer Dichte. Noch ist die Herstellung aber teuer. Zudem sind die Bauteile meist schwierig zu be- und verarbeiten.

Im März 2017 startete das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT gemeinsam mit vier Projektpartnern aus Forschung und Industrie das Projekt ‚CarboLase – Hochproduktive, automatisierte und maßgeschneiderte Just-in-Time FVK-Bauteilfertigung‘. Der Europäische Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) förderte das Projekt mit rund zwei Millionen Euro über eine Laufzeit von 2,5 Jahren mit dem Ziel, die Technologieführerschaft der beteiligten KMUs aus NRW und die langfristige nationale und internationale Wettbewerbsfähigkeit zu steigern. Dieses wurde erreicht, indem die Prozesskette der FVK-Herstellung vereinfacht und die Kosten reduziert wurden.

Normalerweise werden zur Montage von carbonfaserverstärkten Kunststoffelementen (CFK) in konventionelle Bauteile Löcher in die fertigen CFK-Module gebohrt und in diese wiederum metallische Verbindungselemente – zum Beispiel Inserts mit Innengewinden – eingeklebt. Damit Bauteile durch Leichtbauelemente ersetzt werden können, müssen die Verbindungen zwischen FVK- und konventionellem Bauteil lösbar und sicher sein.

Im CarboLase-Projekt wurde ein anderer Denkansatz verfolgt: Hier integrieren die Experten die Verbindungselemente bereits in die textilen Vorformlinge, die sogennanten Preforms. Erst danach wird durch ein gemeinsames Aushärten das finale CFK-Bauteil geschaffen. Dadurch können Fertigungsprozessketten deutlich verkürzt werden. Allerdings sind für diese Fertigungsart hochpräzise Aussparungen im Textil erforderlich

Eine Kombination aus CNC-Zuschnitt, Laserbearbeitung und automatischem Handling ist die Lösung für eine FVK-Bauteilfertigung, die allen Ansprüchen gerecht wird. Die Technologien der einzelnen Prozessschritte werden in eine Roboterzelle integriert und die dazwischenliegenden Teilprozesse automatisiert. Zuerst wird der Preform durch Zuschneiden, Stapeln und Fügen der Textilien hergestellt. Anschließend werden mit einem Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) passgenaue Aussparungen in die Preforms gebohrt und in diese die metallischen Inserts eingebracht.

Damit der UKP-Laser eine Alternative für die konventionelle Fertigung ist, bedarf es der Integration des Lasers in die Roboterzelle. Klassisch werden ultrakurze Pulse über Spiegel geleitet, was an einem Roboterarm aber kaum möglich ist. Daher haben die Forscher des Fraunhofer ILT gemeinsam mit der Firma Amphos eine neuartige Systemtechnik zur Ein- und Auskopplung der UKP-Laserstrahlung entwickelt. Die Verbindung der UKP-Laserstrahlquelle mit dem Scanner am Roboter wird über eine Hohlkernfaser (hollow core) realisiert.

Das entwickelte Verfahren wurde bereits erfolgreich erprobt und die technische Machbarkeit bewiesen: Die Projektpartner fertigten dabei einen Demonstrator für ein B-Säulenelement, der anschließend einer gründlichen mechanischen Prüfung unterzogen wurde. Sowohl in Auszug- als auch in den Torsionsversuchen schnitten die mit dem CarboLase-Verfahren gefertigten Fügestellen besser ab als die von konventionell gefertigten Faserverbundbauteilen. Die formschlüssig mit dem Matrixwerkstoff verbundenen Inserts erzielen eine um bis zu 50 % höhere maximale Auszugkraft gegenüber konventionell gefertigten Bauteilen mit eingeklebten Inserts. Durch die erhöhten mechanischen Kennwerte kann je nach Bauteildesign die Gesamtdicke und damit das Gesamtgewicht reduziert werden.

Der Prozess bietet große Designfreiheit: Die Verbindungsstellen lassen sich in ihrer Lage und Größe beliebig festgelegen. Roboter und Scanner können sich deutlich freier auf der Meter- und Mikrometerebene bewegen als statische mechanische Bearbeitungszentren. Das dynamische UKP-Laserbohrverfahren ist insbesondere für Leichtbauteile aus dem Luftfahrt- und dem Automobilbereich interessant und kann einen Beitrag zu Material- und Kosteneinsparungen bei der Herstellung von CFK-Bauteile leisten.

Im Bereich der UKP-Lasertechnik kooperierte das Fraunhofer ILT in CarboLase mit Amphos. Lunovu begleitete als Systemintegrator die Vernetzung einzelner Prozessschritte und realisierte die Integration der Sensorik in die Roboterzelle am Institut für Textiltechnik (ITA) an der RWTH Aachen University. Kohlhage Fasteners erarbeitete die automatisierte Bereitstellung und Integration der Krafteinleitungselemente und das ITA übernahm schließlich die Umsetzung der automatisierten Prozesskette zur Herstellung der laserbearbeiteten Preforms.

von mn

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