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09.11.2016

Leichtbau per Laser

Per Laser entschichtete Bauteile aus CFK / Laserschneiden einer B-Säule mit der TruLaser Cell 8030 von Trumpf

Bei Leichtbaumaterialien stoßen herkömmliche Werkzeuge an Grenzen. Das Bearbeiten hochfester Stähle, Titan oder Faserverbundwerkstoffen fällt Lasern leichter – erst recht an schwer zugänglichen Stellen.

Laser sind in der industriellen Fertigung omnipräsent. Sie bohren, schneiden, schweißen, honen, drehen, ritzen, beschriften, strukturieren, perforieren oder polieren Metalle, Kunststoffe, Gläser, Keramiken, Papier, Holz und viele weitere Werkstoffe. Wo herkömmliche Werkzeuge verschleißen, mechanische Verfahren zu langsam und unpräzise sind oder wo empfindliche Materialien schonend zu bearbeiten sind, spielen Laser ihre Stärken aus.

Ein solches Einsatzfeld ist der Leichtbau. Um den Energiehunger von Flugzeugen, Autos und Maschinen zu senken und mit weniger Leistung flinke, präzise Manöver zu ermöglichen, minimieren Leichtbauingenieure die bewegten Massen. Damit Sicherheit und Zuverlässigkeit dennoch gewahrt bleiben, verstärken hochfeste Stähle, Titan oder faserverstärkte Kunststoffe die hoch belasteten Strukturen filigraner Konstruktion. Auch keramische Werkstoffe bieten Hebel zur Gewichtsreduktion. Alle genannten Materialien stellen herkömmliche Werkzeuge vor Probleme. Solange Leichtbau in Manufakturprozessen betrieben wurde, fielen diese kaum auf. Mittlerweile steigt die Nachfrage aus Volumenmärkten. Effiziente und reproduzierbare Fertigungsprozesse müssen her.

Lasersysteme Enabler des industrialisierten Leichtbaus
Bei Faserverbundwerkstoffen liegt ein Problem darin, dass Glas- und Carbonfasern die beim Bohren, Fräsen oder Schneiden eingebrachte Energie absorbieren und so die Duro- oder Elastomere zur Schmelze bringen, in die sie eingebettet sind. Kalte Bearbeitung mit hoch energetischen Pikosekunden kurzen Pulsen aus UV-Lasern beugt dem vor. Zum Schweißen und Reparieren der Composite kommt es dagegen darauf an, die Harzschicht schonend abzutragen, ohne die feinen Fasern zu zerbrechen. Diese sind nur längs hoch belastbar, brechen bei Querbelastung aber schnell. Wo mechanische Schneid-, Bohr- oder Fräsverfahren ausscheiden, schaffen CO2- und fasergeführte Diodenlaser im Nahinfrarotbereich von 800 bis 860 nm Abhilfe.

Neben der mechanisch und thermisch schonenden Behandlung spricht die verschleißfreie Bearbeitung für Laser. Beim Scheiden, Bohren und Fräsen von Carbon-Bauteilen stumpfen Werkzeuge binnen Stunden ab. Wo Composite variierender Stärke zu bearbeiten sind, geht es nur mit Werkzeugwechseln. Dagegen lassen sich Laserverfahren im laufenden Prozess anpassen. Zudem kann das gebündelte Licht anders als sperrige Werkzeuge in enge Nischen und entlang komplexer Konturen geführt werden. Erst so wird der Vorteil der Formbarkeit der verstärkten Kunststoffe für die Industrie voll nutzbar.

Breites Einsatzspektrum für Laser im Leichtbau
Automobil- und Flugzeugindustrie setzen auf hybriden Leichtbau, in dem faserverstärkte Kunststoffe neben Aluminium, Titan oder hochfestem Stahl zum Einsatz kommen. Laser sorgen dafür, dass die Verbindungen in diesem Materialmix halten. Kurzpulslaser rauen Metalle vor dem Fügen gezielt auf. Lasertechnik sorgt für exakt dosierten Energieeintrag in der Fügezone, um die Wärmeabsorption der Fasern zu minimieren.

Wie beim Umgang mit den widerstandsfähigen Verbundwerkstoffen sind Laser auch in der Bearbeitung von Hartmetallen und Keramiken gefragt. An hochfesten Stählen beißen sich herkömmliche Werkzeuge schnell die Zähne aus. Komplexe 3D-Ausschnitte schaffen sie gar nicht. 3-D-Laserbearbeitungszentren sind dafür alternativlos – und obendrein hoch flexibel. Wechselnde Konturen und Aussparungen schneiden sie ohne langwierige Umrüstarbeiten. Die Steuerbarkeit der Laser kommt gerade beim Umgang mit Hartmetallen zum Tragen. Diese neigen bei zu hoher Laserfluenz zu Blasenbildung. Ist sie zu gering, bilden sich Spikes. Durch flexible Pulsdauer im Burst-Modus ist beides bei minimierter Prozessdauer vermeidbar. Doch damit ist das Einsatzspektrum der Laser im Leichtbau nicht erschöpft. Ob Entschichtung hochfester Tailored Blanks vor dem Schweißen, Laserschneiden von Titan und Aluminium oder präzises Schneiden, Ritzen und Bohren von Keramik ohne Mikrorisse – wer Lösungen im Leichtbau sucht, wird mit Lasern Antworten finden.

Bildquelle: © Fraunhofer ILT, Aachen

 
 
 
 
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