Aktuell / 14.03.2012

Faserverstärkte Kunststoffe schnell und exakt bearbeiten

Schneidprozess von faserverstärkten Kunststoffen. © Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Laserstrahlgeschweißte und -geschnittene glasfaserverstärkte Kunststoffkomponente. © Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Zur Herstellung von Leichtbauteilen werden Faserverbundkunststoffe immer wichtiger. Diese Werkstoffklasse trägt dazu bei,  für Mobilitätslösungen geringeren Kraftstoffverbrauch und höhere Reichweite zu erreichen. Doch noch sind die Fertigungskosten hoch und entsprechend wenig werden komplexe Leichtbauteile produziert und eingesetzt. Ein neues Fertigungsverfahren soll die Verwendung von Leichtbauteilen im Massenmarkt möglich machen; es wird vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung entwickelt.

Neben Aluminium, hochfesten Stählen, Magnesium und Titan sind vor allem faserverstärkte Kunststoffe (FVK) klassische Leichtbaumaterialien. FVK bestehen aus einer organischen Matrix, die entweder mit Kohlenstofffasern (CFK) oder mit Glasfasern (GFK) verstärkt ist. Noch ist es sehr arbeits- und zeitaufwendig, diese Bauteile herzustellen, deshalb kommen diese Elemente nur in exklusiven Bereichen zum Einsatz.

Die Entwicklung  integrativer Prozessketten für thermoplastische FVK-Bauteile ist das Ziel des EU-Projekts »FibreChain« und des vom BMBF geförderten Projekts »InProLight«. Die beteiligten Forscher erarbeiten anspruchsvolle Speziallösungen und für eine großserientaugliche Produktion geeignete Verfahren; hierbei übernimmt das Fraunhofer ILT insbesondere die Aufgabe, das Fügen und Schneiden der Bauteile zu optimieren.


Strukturelles Fügen durch Laserstrahlschweißen

Die Forscher des ILT entwickeln ein neues Verfahren zum strukturellen Fügen der Leichtbaukomponenten. Bislang wurden diese konventionell durch Kleben oder Nieten verbunden. Beide Verfahren benötigen eine Reihe von Vorverarbeitungsschritten, sind teuer und mit langen Prozesszeiten verbunden. Stattdessen werden die Komponenten mit dem Laser verbunden. Hierbei wird in kürzester Bearbeitungszeit die Energie direkt in die Fügezone eingebracht. Es können sowohl komplexe Bauteile aus Einzelteilen hergestellt als auch lastangepasste Strukturen durch selektive Versteifungen erzeugt werden. Außerdem ist es in einem speziellen zweistufigen Verfahren mit Laserstrahlung möglich, Kunststoff mit Metall zu fügen / zu verbinden. Das metallische Bauteil wird durch Laserstrahlung strukturiert und in einem zweiten Schritt mit einem Diodenlaser erwärmt. Der über Wärmeleitung erweichte Kunststoff dringt dann in diese Strukturen ein und stellt eine sehr gute mechanische Verkrallung zwischen den beiden Fügepartnern her.

Schneiden ohne Kantenschädigung

Neben dem Fügen von FVK-Bauteilen und der Herstellung von Kunststoff-Metall-Verbindungen ist das Schneiden ein Bearbeitungsschritt, der an vielen Stellen der Prozesskette anfällt. So müssen Vormaterial zugeschnitten und Bauteile besäumt sowie mit Löchern und Abschnitten versehen werden, ohne die Kanten des Materials zu schädigen. Um ein saubereres Bearbeitungsergebnis als mit den bisherigen Laserschneidtechniken zu erzielen, entwickeln die Forscher neue Schneidverfahren unter anderem mit einem innovativen Kurzpuls-C02-Laser. Die thermische Schädigung des Materials kann durch den geringen Wärmeeintrag erheblich reduziert werden. Eine nahezu vollständige Eliminierung thermischer Schäden erhalten die Aachener Forscher beim Einsatz von Hochleistungs-Ultrakurzpulslasern. Bei Leistungen bis 500 W können mit diesen Lasern wirtschaftliche Prozessschritte auch an hochempfindlichen Werkstoffkombinationen der Luft- und Raumfahrt umgesetzt werden.

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten von FKV-Bauteilen

Durch die eingesetzten Laserschweiß- und Schneidverfahren soll die Herstellung von FVK-Bauteilen deutlich vereinfacht werden, automatisierbar und schnell sein. Am Beispiel einer Autositzlehne der Firma Weber haben die Wissenschaftler diese Verfahren bereits erfolgreich demonstriert.
Leichtbauteile kommen überall dort zum Einsatz, wo ein verringertes Gewicht für eine Senkung der Betriebskosten sorgt: im Fahrzeug-, Flug- und Schiffbau sowie in der Raumfahrt. Auch für hochdynamische Maschinen und im Hochbau sind kostengünstige und flexible Leichtbauweisen als Alternative zum Bau mit Standard-Bauteilen gefragt.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Ansprechpartner im Fraunhofer ILT

Dipl.-Ing. Andreas Rösner
Kunststoffschneiden und -schweißen
Telefon +49 241 8906-158
andreas.roesneratilt.fraunhofer.de

Dr.-Ing. Frank Schneider
Laserschneiden
Telefon +49 241 8906-426
frank.schneideratilt.fraunhofer.de

Dr.-Ing. Alexander Olowinsky
Leiter der Gruppe Mikrofügen
Telefon +49 241 8906-491

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