Für die Entwicklung leichterer und effizienterer Produkte forscht das Fraunhofer ILT an schnellen und zuverlässigen Füge- und Trennverfahren mittels Laserstrahlung, die eine Vielfalt an Leichtbaumaterialien prozesssicher verarbeiten können.

Für das Fügen von glasfaserverstärkten thermoplastischen Faserverbundbauteilen bietet sich das Laserdurchstrahlschweißen an. Mit diesem berührungslosen Verfahren lassen sich bei hohen Prozessgeschwindigkeiten geschlossene Verstärkungsstrukturen zur Erhöhung der Bauteilsteifigkeit sowie lokale Anknüpfungspunkte und Verbindungselemente ohne komplexe Prozessschritte erzeugen. Das Laserschweißen bietet den Vorteil, dass die nötige Energie direkt in der Kontaktzone der zu fügenden Bauteile deponiert wird und dabei das Bauteil ansonsten unbeeinflusst bleibt. Fügeteilvorbereitungen und lange Aushärtezeiten entfallen, so dass das Verfahren direkt in den Fertigungsfluss integriert werden kann. Mit am ILT entwickelten Optiken lassen sich durch angepasste Leistungsdichteverteilungen auch Werkstoffe mit hohem Fasergehalt und streuenden Partikeln wie bspw. Flammschutzhemmern so fügen, dass die Anforderungen nach robusten Prozessen in der Serienfertigung erfüllt werden können.

Aus Kosten- und Stabilitätsgründen werden Leichtbau-Komponenten in der Regel aus verschiedenen Werkstoffen zusammengesetzt. Durch die Kombination im Materialmix werden die spezifischen Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe lastgerecht genutzt. Dies erfordert eine Fügetechnik, die auch artungleiche Werkstoffkombinationen sicher und mit kurzen Prozesszeiten verbindet. Eine besondere Herausforderung stellt dabei das Verbinden von Kunststoff mit Metall dar, da ein direktes, hochfestes Verschweißen nicht möglich ist. Abhilfe schafft hier ein Fügeverfahren, bei dem die Metalloberfläche zunächst durch eine Hochgeschwindigkeits-Lasermikrostrukturierung mit Hinterschnitten und definierten Rauigkeiten versehen wird oder mithilfe von Ultrakurzpulslasern eine schwammartige, poröse Oberfläche erzeugt wird. Im nachfolgenden laserbasierten Fügeprozess wird der Kunststoff selektiv an der Fügestelle zwischen Metall und Kunststoff aufgeschmolzen, so dass sich dieser dauerhaft in der zuvor bearbeiteten Metalloberfläche verkrallen kann (Abb. 1).

Zum Schneiden metallischer Leichtbauwerkstoffe ist der Laser ein seit langem etabliertes Werkzeug. Neben der Bearbeitung von Aluminium oder Titan hat der Lasereinsatz insbesondere beim Schneiden von hochfestem Stahl eine herausragende Bedeutung, weil bei diesem mechanisch herausfordernd zu bearbeitendem Material die werkzeuglose und verschleißfreie Bearbeitung das entscheidende Argument für den Einsatz von Laseranlagen ist. Ein Beispiel aus dem Automobilbau ist das Schneiden von Strukturteilen wie B-Säulen, die nach der Warmumformung mit dem Laser besäumt und mit Ausschnitten versehen werden.

Durch die hervorragende zeitliche und örtliche Steuerbarkeit bietet das Laserschneiden auch bei Faserverbundwerkstoffen ein großes Potential zur Reduzierung von Bearbeitungszeiten und zur automatisierten Herstellung von Bauteilen. Dies gilt für verschiedenste Schritte innerhalb der Prozesskette – vom Schneiden von Prepregs, Tapes und Organoblechen bis hin zum Besäumen und Schneiden konsolidierter FVK-Komponenten. Hochgeschwindigkeitsprozesse oder der Einsatz von Ultrakurzpulslasern sorgen dafür, dass trotz deutlich unterschiedlicher Materialeigenschaften von Faser und Matrix wie Wärmeleitung, Schmelz- und Zersetzungstemperaturen hochqualitative Schnittkanten entstehen. Eine geeignete Prozessführung reduziert die Wärmeeinflusszone an der Schnittkante auf ein Minimum.

Vergleichbar dem Schneiden von Metallen wird bei glasfaserverstärkten Kunststoffen ein Schneidkopf über das Material geführt und der Materialaustrieb durch einen Schneidgasstrahl unterstützt. Kohlefaserverstärkte Kunststoffe werden im Multi-Pass-Verfahren bearbeitet. Der Laserstrahl wird dabei materialschonend mehrfach über die Schnittkontur gescannt und es erfolgt ein schichtweiser Materialabtrag. Die Bearbeitungsgeschwindigkeiten liegen für Materialdicken bis zu einigen Millimetern im Bereich mehrerer Meter pro Minute, bei entsprechend dünnem Material auch deutlich darüber (Abb. 2).

Das Bohren mittels gepulster Laserstrahlung kann sowohl für faserverstärkte Werkstoffe mit thermoplastischer als auch duroplastischer Matrix eingesetzt werden. Ebenso können Halbzeuge ohne Matrix, wie z.B. trockene Carbonfaserpreforms, gebohrt werden. Den geometrischen Formen der Aussparungen sind dabei kaum Grenzen gesetzt. So ist es möglich Lochformen mit z.B. ovaler oder sternförmiger Kontur zu erzeugen, um lastfallangepasste Inserts zu integrieren. Die Bohrungsachse muss dabei nicht senkrecht zur Bauteiloberfläche stehen, sondern kann auch in spitzen Winkeln ausgerichtet werden. Durch die Verwendung von ultrakurzgepulsten Laserstrahlquellen mit Pulsdauern im Pikosekundenbereich werden thermische Schädigungen an Fasern und Matrix auf ein Minimum reduziert. Sonstige Schädigungen wie Faserbrüche oder Delaminationen werden sogar vollständig vermieden. Bei Verwendung von Nanosekundenpulsen mit geringer Pulsenergie kann ein Bearbeitungsprozess so eingestellt werden, dass an der Oberfläche nur die Matrix, aber nicht die Carbonfasern abgetragen wird. Durch das Freilegen der Carbonfasern können metallisierte Schichten aufgetragen werden, um  ein thermisches Management oder elektrische Ableitung in z.B. CFK-Gehäusen zu ermöglichen.

Der Einsatz von Laserstrahlung zum Schweißen, Schneiden oder Bohren ist sehr gut reproduzier- und automatisierbar. Auch der robotergeführte Einsatz für die Bearbeitung von komplex geformten 3D-Komponenten in CFK-Metall-Mischbauweisen ist gut zu beherrschen (Abb. 3).

Durch einfach zu integrierende Sensoren, die u.a. die Temperatur in der Prozesszone oder den Abstand der Fokussieroptik zur Bauteiloberfläche regeln, werden industrielle Serienprozesse ermöglicht. Dies ist insbesondere dann entscheidend, wenn teure Bauteilgruppen absolute Präzision und eine defektfreie Bearbeitungsqualität erfordern. Durch den berührungslosen Bearbeitungsprozess werden zusätzliche Werkzeugwechsel und die daran geknüpften Wechselzeiten und Werkzeugkosten vermieden.

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Tätigkeitsschwerpunkte

• Forschung & Entwicklung Strahlquellen und Laserprozesse
• Modellierung von Laserprozessen
• Durchführung von Machbarkeitsstudien

Branchen- und Technologiefelder

• Automotive
• Luft- und Raumfahrt
• Maschinen- und Anlagenbau

Wichtigste Regionen für die eigene Wertschöpfung (Entwicklung/Produktion/Märkte)

• Deutschland
• Europa
• Japan
• USA

www.ilt.fraunhofer.de

Abbildung 1: Hochgeschwindigkeits-Lasermikrostrukturierung von Edelstahl (1.4301) mittels Faserlaserstrahlung © Fraunhofer ILT
Abbildung 2: Mit einem Multi-Pass-Laserprozess lassen sich bei CFK-Teilen saubere Schnittkanten erreichen © Fraunhofer ILT
Abbildung 3: Anlagenaufbau zum robotergeführten Laserstrahlbohren eines Carbonfaser-Preforms für ein Demonstratorbauteil aus dem Automobilbau © ITA RWTH Aachen, Fraunhofer ILT