Autor: Andreas Rösner, Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen
Kosteneffiziente Produktion von Leichtbau-Komponenten
Faserverbundkunststoffe sind überall im Gespräch, wenn es um Leichtbau geht. Für die Mobilität bedeutet diese Werkstoffklasse geringeren Kraftstoffverbrauch und höhere Reichweite. Doch noch ist die Marktdurchdringung mit komplexen Leichtbauteilen gering und die Fertigungskosten sind hoch.
Die Nachfrage nach Leichtbaukomponenten ist in den vergangenen Jahren weltweit stark gestiegen. Klassische Leichtbaumaterialien sind neben Aluminium, hochfesten Stählen, Magnesium und Titan vor allem faserverstärkte Kunststoffe (FVK). Diese bestehen aus einer organischen Matrix, die entweder mit Kohlenstofffasern (CFK) oder mit Glasfasern (GFK) verstärkt ist. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung wirtschaftliche Fertigungsverfahren, um die Nutzbarkeit von Leichtbauteilen im Massenmarkt deutlich zu steigern.
Derzeit ist die Herstellung dieser Bauteile mit langen Zykluszeiten und einem geringen Automatisierungsgrad verbunden, was dem Einsatz von FVK im Massenmarkt im Wege steht. Das EU-Projekt »FibreChain« und das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt „InProLight“ haben es sich daher zum Ziel gesetzt, unterschiedliche integrative Prozessketten von anspruchsvollen Speziallösungen bis hin zur großserientauglichen Produktion thermoplastischer FVK-Bauteile zu entwickeln. Das Fraunhofer-ILT übernimmt insbesondere die Aufgabe, das Fügen und Schneiden der Bauteile zu optimieren.
Strukturelles Fügen
Ausgehend vom Rohmaterial entwickeln Andreas Rösner und seine Kollegen ein Verfahren zum strukturellen Fügen der Leichtbaukomponenten. Bislang wurden diese konventionell durch Kleben oder Nieten verbunden. Beide Verfahren benötigen eine Reihe von Vorverarbeitungsschritten, sind teuer und mit langen Prozesszeiten verbunden. Um diese Nachteile zu vermeiden, verbindet Rösner die Komponenten mit dem Laser, einem Verfahren, bei dem die Energie direkt in die Fügezone eingebracht wird und das mit einem Minimum an Bearbeitungszeit einhergeht.
Mit diesem Verfahren lassen sich sowohl komplexe Bauteile aus Einzelteilen herstellen als auch lastangepasste Strukturen durch selektive Versteifungen erzeugen. Eine Erweiterung stellt das Fügen von Kunststoff mit Metall dar, das in einem speziellen zweistufigen Verfahren mit Laserstrahlung realisiert werden konnte.
Rösner strukturiert das metallische Bauteil mittels Laserstrahlung und erwärmt in einem zweiten Schritt dieses Bauteil durch Bestrahlung mit einem Diodenlaser. Der über Wärmeleitung erweichte Kunststoff dringt dann in diese Strukturen ein und stellt eine sehr gute mechanische Verkrallung zwischen den beiden Fügepartnern her.
Ohne Kantenschädigung
Neben dem Fügen von FVK-Bauteilen und der Herstellung von Kunststoff-Metall-Verbindungen ist das Schneiden ein Bearbeitungsschritt, der an vielen Stellen der Prozesskette anfällt. So müssen Vormaterial zugeschnitten und Bauteile besäumt sowie mit Löchern und Abschnitten versehen werden. Es kommt darauf an, die Kantenschädigung des Materials auf ein Minimum zu reduzieren.
Bisherige Laserschneidtechniken erzielen aufgrund einer zu großen Wärmeeinflusszone allerdings ein unsauberes Bearbeitungsergebnis. Frank Schneider und seine Kollegen entwickeln daher neue Schneidverfahren unter anderem mit einem innovativen Kurzpuls-CO2-Laser. Die thermische Schädigung des Materials kann durch den geringen Wärmeeintrag erheblich reduziert werden. Eine nahezu vollständige Eliminierung thermischer Schäden erhalten die Aachener Forscher beim Einsatz von Hochleistungs-Ultrakurzpulslasern. Bei Leistungen bis 500 Watt können mit diesen Lasern wirtschaftliche Prozessschritte auch an hochempfindlichen Werkstoffkombinationen der Luft- und Raumfahrt umgesetzt werden.
Vielfältiger Einsatz
Durch die eingesetzten Laserschweiß- und Laserschneidverfahren soll die Herstellung von FVK-Bauteilen deutlich vereinfacht werden, automatisierbar und vor allem schnell und kosteneffizient sein. Am Beispiel einer Autositzlehne haben die Wissenschaftler diese Verfahren erfolgreich demons-triert.
Leichtbauteile kommen überall dort zum Einsatz, wo ein verringertes Gewicht für eine Senkung der Betriebskosten sorgt: im Fahrzeug-, Flugzeug- und Schiffbau sowie in der Raumfahrt. Auch für hochdynamische Maschinen und im Hochbau sind kostengünstige und flexible Leichtbauweisen als Alternative zum Bau mit Standard-Bauteilen gefragt.
Kosteneffiziente Produktion von Leichtbau-Komponenten
Faserverbundkunststoffe sind überall im Gespräch, wenn es um Leichtbau geht. Für die Mobilität bedeutet diese Werkstoffklasse geringeren Kraftstoffverbrauch und höhere Reichweite. Doch noch ist die Marktdurchdringung mit komplexen Leichtbauteilen gering und die Fertigungskosten sind hoch.
Die Nachfrage nach Leichtbaukomponenten ist in den vergangenen Jahren weltweit stark gestiegen. Klassische Leichtbaumaterialien sind neben Aluminium, hochfesten Stählen, Magnesium und Titan vor allem faserverstärkte Kunststoffe (FVK). Diese bestehen aus einer organischen Matrix, die entweder mit Kohlenstofffasern (CFK) oder mit Glasfasern (GFK) verstärkt ist. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung wirtschaftliche Fertigungsverfahren, um die Nutzbarkeit von Leichtbauteilen im Massenmarkt deutlich zu steigern.
Derzeit ist die Herstellung dieser Bauteile mit langen Zykluszeiten und einem geringen Automatisierungsgrad verbunden, was dem Einsatz von FVK im Massenmarkt im Wege steht. Das EU-Projekt »FibreChain« und das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt „InProLight“ haben es sich daher zum Ziel gesetzt, unterschiedliche integrative Prozessketten von anspruchsvollen Speziallösungen bis hin zur großserientauglichen Produktion thermoplastischer FVK-Bauteile zu entwickeln. Das Fraunhofer-ILT übernimmt insbesondere die Aufgabe, das Fügen und Schneiden der Bauteile zu optimieren.
Strukturelles Fügen
Ausgehend vom Rohmaterial entwickeln Andreas Rösner und seine Kollegen ein Verfahren zum strukturellen Fügen der Leichtbaukomponenten. Bislang wurden diese konventionell durch Kleben oder Nieten verbunden. Beide Verfahren benötigen eine Reihe von Vorverarbeitungsschritten, sind teuer und mit langen Prozesszeiten verbunden. Um diese Nachteile zu vermeiden, verbindet Rösner die Komponenten mit dem Laser, einem Verfahren, bei dem die Energie direkt in die Fügezone eingebracht wird und das mit einem Minimum an Bearbeitungszeit einhergeht.
Mit diesem Verfahren lassen sich sowohl komplexe Bauteile aus Einzelteilen herstellen als auch lastangepasste Strukturen durch selektive Versteifungen erzeugen. Eine Erweiterung stellt das Fügen von Kunststoff mit Metall dar, das in einem speziellen zweistufigen Verfahren mit Laserstrahlung realisiert werden konnte.
Rösner strukturiert das metallische Bauteil mittels Laserstrahlung und erwärmt in einem zweiten Schritt dieses Bauteil durch Bestrahlung mit einem Diodenlaser. Der über Wärmeleitung erweichte Kunststoff dringt dann in diese Strukturen ein und stellt eine sehr gute mechanische Verkrallung zwischen den beiden Fügepartnern her.
Ohne Kantenschädigung
Neben dem Fügen von FVK-Bauteilen und der Herstellung von Kunststoff-Metall-Verbindungen ist das Schneiden ein Bearbeitungsschritt, der an vielen Stellen der Prozesskette anfällt. So müssen Vormaterial zugeschnitten und Bauteile besäumt sowie mit Löchern und Abschnitten versehen werden. Es kommt darauf an, die Kantenschädigung des Materials auf ein Minimum zu reduzieren.
Bisherige Laserschneidtechniken erzielen aufgrund einer zu großen Wärmeeinflusszone allerdings ein unsauberes Bearbeitungsergebnis. Frank Schneider und seine Kollegen entwickeln daher neue Schneidverfahren unter anderem mit einem innovativen Kurzpuls-CO2-Laser. Die thermische Schädigung des Materials kann durch den geringen Wärmeeintrag erheblich reduziert werden. Eine nahezu vollständige Eliminierung thermischer Schäden erhalten die Aachener Forscher beim Einsatz von Hochleistungs-Ultrakurzpulslasern. Bei Leistungen bis 500 Watt können mit diesen Lasern wirtschaftliche Prozessschritte auch an hochempfindlichen Werkstoffkombinationen der Luft- und Raumfahrt umgesetzt werden.
Vielfältiger Einsatz
Durch die eingesetzten Laserschweiß- und Laserschneidverfahren soll die Herstellung von FVK-Bauteilen deutlich vereinfacht werden, automatisierbar und vor allem schnell und kosteneffizient sein. Am Beispiel einer Autositzlehne haben die Wissenschaftler diese Verfahren erfolgreich demons-triert.
Leichtbauteile kommen überall dort zum Einsatz, wo ein verringertes Gewicht für eine Senkung der Betriebskosten sorgt: im Fahrzeug-, Flugzeug- und Schiffbau sowie in der Raumfahrt. Auch für hochdynamische Maschinen und im Hochbau sind kostengünstige und flexible Leichtbauweisen als Alternative zum Bau mit Standard-Bauteilen gefragt.
