Laserbearbeitung von Composites erschließt Effizienz-Potenziale

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Eine hohe Flexibilität und die berührungslose, verschleißfreie Wirkungsweise gehören zu den Vorteilen von Laserbearbeitungstechniken. Das punktgenaue und auf die jeweilige Anwendung zugeschnittene Einbringen der Energie bietet zudem die Chance, auch temperaturempfindliche Werkstoffe zu bearbeiten. In welcher Form sich Laserbearbeitungsverfahren für Faserverbundwerkstoffe eignen, zeigt vom 6. bis 8. November auch die COMPOSITES EUROPE in Stuttgart.

Weltmarkt für Lasertechnik hat sich in zehn Jahren nahezu verdoppelt

Mit einem Wachstum von 7,4 Prozent hat der Weltmarkt für Lasersysteme zur Materialbearbeitung 2016 ein Umsatzvolumen von 11,4 Mrd. EUR erreicht. Das ist das Ergebnis einer Studie der Schweizer Unternehmensberatung Optech Consulting. Demnach haben Lasersysteme zur Makrobearbeitung, zum Schneiden, Schweißen, Beschriften und für generative Fertigungsverfahren einen Anteil von rund drei Viertel, die weiteren 25 Prozent entfallen auf Lasersysteme zur Mikrobearbeitung in der Elektronikindustrie.

Nach den Erkenntnissen der Experten hat sich damit der Weltmarkt für Lasertechnik binnen zehn Jahren nahezu verdoppelt. 2006 betrug der Gesamtumsatz noch 6,1 Mrd. EUR. Seit einem Rückgang auf 3,8 Mrd. EUR im Jahr 2009 entwickelt sich die Branche dynamisch mit stabilen Zuwachsraten bis zum aktuellen Höchststand, wobei die Wachstumstreiber vor allem aus Asien – speziell China und Japan – kommen, während in Europa und Nordamerika die Nachfrage kaum verändert gegenüber dem Vorjahr war.

 

Auch der Weltmarkt für Laserquellen zur Materialbearbeitung konnte im Jahr 2016 ein sattes Plus von 6,0 Prozent erzielen und erreichte ein Volumen von 3,0 Mrd. EUR. Der Studie zufolge halten Faserlaser einen Marktanteil von 40 Prozent, gefolgt von Gaserlasern mit CO2- und Excimerlasern, die 35 Prozent ausmachen, sowie Festkörper- und Diodenlasern mit 25 Prozent. Besonders Faserlaser konnten mit einem Zuwachs von 15 Prozent auf 1,2 Mrd. EUR signifikant zulegen. Die Fachleute sehen als Hauptgrund die steigende Zahl der Anwendungen beim Schneiden, Schweißen, Beschriften und bei generativen Fertigungsverfahren.

Laserdurchstrahlschweißen fügt Faserverbundwerkstoffe zuverlässig

Auch für die Bearbeitung von Composites werden photonische Prozesse zunehmend interessant. Denn die Materialbearbeitung mit mechanischen Verfahren führt aufgrund der damit einhergehenden Belastung häufig zu Delamination (Ablösen von Schichten). Im Gegensatz dazu bietet die Laserbearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen die Möglichkeit, das Matrixmaterial selektiv und in hoher Geschwindigkeit zu bearbeiten und zudem komplexere Geometrien zu produzieren.

Erste Anwendungen von Lasern werden derzeit von Wissenschaft und Industrie untersucht oder sind bereits in der Umsetzung. So lassen sich Faserverbundwerkstoffe mit dem so genannten Laserdurchstrahlschweißen zuverlässig fügen. Mit der laserbasierten Oberflächenbearbeitung können Composites für Klebungen und Reparaturen vorbereitet werden. Außerdem können CFK und GFK mit dem Laser akkurat und reproduzierbar geschnitten und gebohrt werden.

Automatisierte Laserprozesse verlängern Lebenszeit von CFK-Karosserieteilen

Eine besondere Rolle bei der Erforschung von effizienten Einsatzmöglichkeiten laserbasierter Verfahren für die Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen spielt das Laser Zentrum Hannover (LZH). Die Wissenschaftler untersuchen in zahlreichen Projekten zusammen mit Partnern aus der Industrie anwendungsspezifische photonische Technologien.

So wurden mit der Volkswagen AG, der Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH, der Trumpf Laser GmbH, der Invent GmbH, der KMS Automation GmbH sowie mit der Technischen Universität Clausthal in dem Projekt „HolQueSt 3D“ Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Automobil-Bauteilen mit gekrümmten Oberflächen entwickelt. Diese wurden mit geringen Prozesszeiten zur Reparaturvorbereitung geschäftet. Anschließend wurden die Schäftungen mit passgenauen Ersatzstücken, sogenannten Patches, wieder verschlossen – ein wichtiger Schritt, um die Lebenszeit von CFK-Karosserieteilen signifikant zu verlängern.

Höhere geometrische Auflösung dank neuem Faserorientierungsmessgerät

Um Flugzeugbauteile aus Composites effizienter nachbearbeiten zu können, hat das LZH gemeinsam mit der Invent GmbH, der OWITA GmbH und der Precitec Optronik GmbH das Verbundprojekt „ReWork“ gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines prozesssicheren Verfahrens für dünnwandige und komplexe CFK-Bauteile. Dabei soll eine innovative Systemtechnik, bestehend aus Laser, Scanner, Kurzkohärenz-Interferometriesystem sowie einer Steuerungssoftware, je nach Beschaffenheit des Bauteils individuelle Prozessparameter ermitteln. Daneben steht die Weiterentwicklung des Laserprozesses im Mittelpunkt, um den spezifischen Anforderungen der oftmals dünnwandigen und komplexen Komponenten gerecht zu werden.

Darüber hinaus haben die Wissenschaftler aus Hannover zusammen mit der Apodius GmbH ein neuartiges Messgerät zur Faserlagenorientierung mit einem innovativen laserbasierten Reparaturprozess kombiniert, um FVK-Bauteile langlebiger und ökoeffizienter zu machen. Das neue Faserorientierungsmessgerät ermöglicht demnach eine höhere geometrische Auflösung als bei mechanischen Abtragverfahren. Aufgrund der Schnelligkeit der Bilderkennung können die Daten in Echtzeit ausgewertet werden, womit die Grundvoraussetzung für eine Regelung des Schäftprozesses erfüllt ist.

Entfernen von Fremdfasern durch photonische Technologien

Doch photonische Technologien können noch mehr. So hat das Sächsische Textilforschungsinstitut (STFI) in Chemnitz ein Verfahren zum Entfernen von Fremdfasern aus Carbonfaser-Rezyklaten mit Hilfe von Lasertechnik entwickelt und dabei vielversprechende Ergebnisse erzielt. Die durch die Versuche erhaltenen reinen Carbonfaser-Materialien wurden zunächst textilphysikalisch geprüft und anschließend hinsichtlich ihrer Verarbeitbarkeit in textilen Prozessen untersucht. Die Ergebnisse zeigten demnach, dass es zu keiner signifikanten Veränderung der Festigkeiten bzw. E-Module durch die Lasereinwirkung kommt. Die Herstellung von Vliesstoffen aus den bestrahlten Materialien verlief ebenfalls problemlos.

Um die späteren Einsatzmöglichkeiten bewerten zu können, stellten die Wissenschaftler abschließend Prüfplatten aus bestrahltem und unbestrahltem Material her und führten Zug- und Biegeprüfungen durch. Hierbei zeigte sich, dass das mit Laser bestrahlte Material vergleichbare Eigenschaften wie das unbestrahlte aufweist. Biegefestigkeiten und Biege-E-Module konnten sogar um bis zu 30 Prozent gesteigert werden. Dementsprechend schlussfolgern die Forscher, dass sich Lasertechnologie zur Entfernung von Fremdfasern aus Carbonfaser-Rezyklaten prinzipiell eignet.