Leichtbau mit Laser und Roboter

Leichtbau mit carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) dient dem Klimaschutz im Luft- und Straßenverkehr. Um CFK-Bauteile auf ein großserientaugliches Kosten- und Qualitätsniveau zu bringen, sind laserbasierte automatisierte Fertigungsprozesse gefragt.

Durch Kombination von Textil- und Kunststofftechnik schaffen Luftfahrt- und Automobilunternehmen federleichte Bauteile, deren Festig- und Steifigkeit das Niveau vieler Metalle erreicht. Sie verarbeiten dafür feinste Carbon-Filamente mit textiltechnischen Verfahren zu Preforms, die sie anschließend in Duro- oder Thermoplaste einbetten. Während dieser Teil der Prozesskette zunehmend automatisiert erfolgt, ruhen in der Weiterverarbeitung der CFK-Bauteile Effizienzpotentiale. Noch sind hier zeit- und kostenaufwändige Prozesse verbreitet, die hohe Werkzeug- und Arbeitskosten verursachen.

In einem aus EU- und Landesmitteln Nordrhein-Westfalens geförderten Projekt haben das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT Aachen, die Trumpf-Tochter AMPHOS und weitere Partner einen solchen Prozess optimiert. Zur Verbindung der CFK-Bauteile mit anderen Komponenten bohren die Hersteller bisher Löcher, in die sie metallische Verbindungselemente einkleben. Das kostet Zeit und geht wegen der Carbonfasern mit hohem Werkzeugverschleiß einher. Stattdessen bringen die Forscher die exakt an die Form und Größe der Verbindungselemente angepassten Löcher per Ultrakurzpuls-(UKP)-Laser ein; und zwar bereits in die textilen Preforms, die erst danach mitsamt den Verbindungselementen in die Kunststoffmatrix eingebettet werden. Das Ganze geschieht vollautomatisiert in einer Roboterzelle.

Per Laser zu kostengünstigeren, materialeffizienteren CFK-Bauteilen

Damit die ultrakurzen Laserpulse das Material in dem dynamischen Roboterprozess an der exakten Position mikrometergenau abtragen, erfolgt die Strahlführung nicht über Spiegel. Stattdessen haben die Spezialisten von Fraunhofer ILT und AMPHOS einen neuen Ansatz zur Ein- und Auskopplung der Laserpulse entwickelt: Zur Verbindung der UKP-Laserstrahlquelle mit dem Scanner am Roboter dient eine Hohlkernfaser. Die so realisierbaren exakt formschlüssigen Verbindungen zwischen Fasergelege, Kunststoffmatrix und den Verbindungsstücken senken nicht nur den Zeit- und Kostenaufwand in der CFK-Fertigung. Darüber hinaus trotzen sie um bis zu 50 Prozent höheren Zugkräften, als eingeklebte Verbinder. Das eröffnet neues Potential zur Gewichtssenkung und Materialeinsparung beim Auslegen der Bauteile. Zudem ist der neue Laserprozess hoch flexibel. Roboter und Scanner können sich nach Angaben der Projektpartner auf der Meter- und Mikrometerebene deutlich freier bewegen als es in der bisherigen mechanischen Bearbeitung möglich war.

Schnell, präzise, berührungslos und flexibel

Auch das Laser Zentrum Hannover (LZH) hat kürzlich ein öffentlich gefördertes Forschungsprojekt mit TRUMPF und weiteren Partnern abgeschlossen, aus dem ein effizientes Laserbearbeitungsverfahren für CFK-Bauteile hervorgegangen ist. Im Fokus standen hierbei CFK-Streben, die Flugzeugbauer zur Stabilisierung der Frachtraumböden einsetzen. Bohrungen in diesen „cargo struts“ erfolgen bisher aus Zeitgründen mechanisch. Doch geht diese Zeitersparnis mit dem CFK-typischen hohen Verschleiß der eingesetzten Werkzeuge einher: in diesem Fall hochwertige Diamantbohrer. Werden diese nicht früh genug gewechselt, kommt es zudem zu Beschädigungen der Kunststoffmatrix. Um diese Probleme zu lösen, haben die Forscher einen softwaregesteuerten, thermographisch überwachten Laserprozess entwickelt, der Bohr- und Nietlöcher mit derselben Geschwindigkeit in die CFK-Streben einbringt, wie mechanische Bohrer. Um die Qualität und Präzision der Bohrungen zu optimieren, passt die Software die Parameter und Bohrstrategie im Prozess kontinuierlich an das jeweils zu bohrende Material an. So bekommen Flugzeugbauer Zugang zu einem vollautomatisierten und zugleich flexiblen Laserprozess, der nicht nur alle gebräuchlichen CFK-Typen in hoher Geschwindigkeit und Qualität bohrt, sondern auch Glasfaserverbundwerkstoffe und spezielle Materialcomposite beispielsweise mit Kupfergeweben (Coppermesh). Auch das Laserbohren von übereinander platzierten unterschiedlichen Laminaten ist nach Angaben der Projektpartner durch die flexible Prozesssteuerung ohne weiteres möglich.

In beiden Projekten dient Lasertechnik als Schlüssel zu höherer Flexibilität, Zeit- und Kosteneffizienz im CFK-Leichtbau. So rückt diese Technologie Stück für Stück näher an Großserieneinsätze, in denen jedes Gramm Gewichteinsparung enorme Hebelwirkung entfaltet - in Form höherer Reichweiten von Elektrofahrzeugen und Flugzeugen sowie sinkenden Energiebedarfs im Sinne einer klimaverträglichen Mobilität.

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