ProCaV

Produktive und schädigungsarme Laserbearbeitung
von Carbonfaser-Verbundwerkstoffen

ProCaV: UKP-Laser Schnittoberfläche eines CFK-Bauteils (Quelle: IFSW, Universität Stuttgart)

Neue Werkzeuge
für die Leichtbau-Materialien der Zukunft

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) gehören auf Grund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften zu den Zukunfts-Materialien, insbesondere wenn es um Leichtgewichtskonstruktionen geht. In der Fahr- und Flugzeugindustrie wird CFK bereits vereinzelt eingesetzt. Zunehmend werden auch Potentiale im Energiesektor - etwa bei gewichts- und steifigkeitsoptimierten Rotoren für Windkraftanlagen - und im Maschinen- und Anlagenbau erschlossen. Aufgrund der hohen Kosten konnte sich dieser Werkstoff jedoch bisher nicht in großer Breite etablieren. Hierfür sind auch die heutigen Bearbeitungsverfahren verantwortlich, bei denen sich Effizienz, geringe Kosten und hohe Qualität gegenseitig ausschließen. Der Grund dafür liegt vor allem im Aufbau der CFK-Materialien begründet: Die hochfesten Carbonfasern werden in einem solchen Bauteil eingebettet in vergleichsweise weiche Kunststoffe. Während die Carbonfasern vor allem zu einem schnellen Verschleiß von mechanischen Bearbeitungswerkzeugen führen, reagiert der Kunststoff empfindlich auf zu hohe Temperaturen, die bei der mechanischen Bearbeitung wie Sägen oder Bohren entstehen können. Neben der Bearbeitung fehlt es heute auch noch an geeigneten Verfahren, um CFK-Bauteile untereinander und mit anderen Materialien kostengünstig zu verbinden. Egal, ob auf der Straße, der Schiene, zu Wasser oder in der Luft – leichtere Fortbewegungsmittel führen direkt auch zu einer effizienteren Energienutzung. Gleichzeitig ist die sichere Beherrschung der wirtschaftlichen Bearbeitung von CFK-Materialien eine wichtige Voraussetzung für die Sicherung und den Ausbau der starken Wettbewerbsposition deutscher Maschinen- und Anlagenbauer.

Hochpräzise Schnitte mit ultrakurzen Pulsen

Aus der Blechbearbeitung ist bekannt, dass Laser die Produktions-Anforderungen der Industrie ausgezeichnet erfüllen können. Aufgrund der komplexen Materialeigenschaften können jedoch die derzeit eingesetzten Blechbearbeitungsprozesse nicht einfach für CFK übernommen werden. Erste Versuche zeigen aber, dass mit entsprechend leistungsfähigen Lasern im kontinuierlichen Betrieb Trenngeschwindigkeiten wie beim Blechschneiden erreicht werden können. Mit der erforderlichen Qualität gelingt dies so allerdings nur in der Preform-Fertigung, d. h. beim Schneiden von Carbonfasern, die noch nicht in den Kunststoff eingebettet wurden. Andererseits wurde auch bereits gezeigt, dass es mit Ultrakurzpuls (UKP)-Lasern möglich ist, qualitativ sehr hochwertige Schnitte zu erzeugen. Im Projekt werden Grundlagen für vier spezifische Anwendungen der Industriepartner durch Untersuchung der Prozesse Trennen, Mikrobohren, Makrobohren und Freistellen mittels Laser erarbeitet. Dies beinhaltet insbesondere die Definition der Verfahrensstrategie bei gleichzeitiger Online-Diagnostik zur Kontrolle des Prozessfortschrittes und der Schädigungstiefe. In absehbarer Zukunft werden auch UKP-Laser mit einer mittleren Ausgangsleistung im Kilowatt-Bereich erhältlich sein. Neben der Qualität ist deshalb die Skalierbarkeit (d.h. die Übertragbarkeit auf eine schnellere Bearbeitung oder größere Bearbeitungsflächen) der Prozesse eine Grundvoraussetzung für die industrielle Umsetzbarkeit und damit Schwerpunkt der Forschungsarbeiten. Für Anwendungen wie Kleben oder Umformen wird zudem untersucht, inwieweit sich die Inhomogenität des Materials ausnutzen lässt, z. B. für eine sehr lokalisierte, selektive Bearbeitung. Durch die abgestimmte Zusammenarbeit zwischen Automobilbauern, Anlagenherstellern und Forschungsinstituten sollen die vielversprechenden Ansätze zur Laserbearbeitung von CFK fachlich systematisch aufgearbeitet, aus Sicht der Anwender bewertet und die Voraussetzung für den Einsatz in der Serienfertigung geschaffen werden. Damit wird der Einsatz von CFK als Leichtbaumaterial im Automobilbau vorbereitet und die Basis für Produktionsverfahren und deren Bewertung hinsichtlich Produktivität, Kosten und Qualität gelegt. Die Projektergebnisse sind relevant für die Planung und Umsetzung von neuartigen Fertigungskonzepten und können im Erfolgsfall von den beteiligten Partnern aus dem Anlagenbau und der Automobilindustrie erfolgversprechend umgesetzt werden.

KOORDINATOR

Dr. Thomas Rettich
TRUMPF GmbH + Co. KG

Johann-Maus-Str. 2
71254 Ditzingen
Tel.: +49 7156-303-35171
e-Mail: thomas.rettich@de.trumpf.com

PROJEKTVOLUMEN

3,3 Mio €
(ca. 54% Förderanteil durch das BMBF)

PROJEKTLAUFZEIT

1.12.2011 — 31.05.2015

PROJEKTPARTNER

Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung Teil des Photonik Forschung Deutschland-Programms