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