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26.07.2016

Schichtarbeit für Ultrakurzpuls-Laserstrahlung

Strukturieren und Entschichten von Faserverbundbauteilen

Verbundwerkstoffe aus Glas- oder Kohlefasern zeichnen sich durch ein geringes spezifisches Gewicht und gute mechanische Eigenschaften aus. Bereits heute werden faserverstärkte Bauteile erfolgreich in der industriellen Serienfertigung verarbeitet. Das Material bringt zwar Einschränkungen im Bereich der Verarbeitungsprozesse mit sich, diese lassen sich jedoch durch die geschickte Nutzung von Laserprozessen ausgleichen.

Nachdem die Faserverbundwerkstoffe in der Luft- und Raumfahrt bereits seit längerer Zeit zum Einsatz kommen, haben sie Einzug auch in zahlreiche andere Bereichen wie beispielsweise dem Automobilbau, der Medizintechnik oder der Baubranche gehalten. Der Bedarf nach Materialien und Bearbeitungsverfahren wächst entsprechend schnell.

Freigelegte Faserstruktur: Mit dem Verfahren können die äußeren Schicht der Polymermatrix entfernt werden, ohne dass die darunterliegende Faser beschädigt wird (©Fraunhofer ILT)

Freigelegte Faserstruktur: Mit dem Verfahren können die äußeren Schicht der Polymermatrix entfernt werden, ohne dass die darunterliegende Faser beschädigt wird (©Fraunhofer ILT)

Freilegen von Kohlefaserbauteilen

Die hochwertigen mechanischen Eigenschaften von Faserverbundbauteilen resultieren aus einer belastungsangepassten Zusammensetzung aus Polymermatrix und Fasern. Um das Matrixmaterial oberflächennah zu entfernen, wurde am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen, ein Verfahren entwickelt, mit dem es möglich ist die äußeren Schichten der umgebenden Polymermatrix zu entfernen, ohne die darunterliegenden Fasern zu beschädigen.

Durch die Verwendung von ultrakurz gepulster Laserstrahlung lässt sich der zumeist aus Epoxidharz bestehende Matrixkunststoff orts- und tiefenselektiv bearbeiten und sogar vollständig entfernen. Eine angepasste Prozessführung erlaubt eine Oberflächenbearbeitung derart, dass die nachfolgenden Fasern keine Schädigung erfahren. „Dies gelingt durch eine ortsselektive Anpassung von Laserleistung und Strahlführung“, erklärt Dipl.-Ing. Christian Hördemann, Wissenschaftler am Fraunhofer ILT. Dabei würden sich auch komplexe Geometrien und 3D Bauteile mit dem Laser bearbeiten lassen. Die Oberflächenbearbeitung ohne Störung der belastungsorientiert verarbeiteten Fasern ist insbesondere für die Luft- und Raumfahrt von großem Interesse.

CFK-Bauteile werden Mithilfe von Ultrakurzpuls-Laserstrahlung entschichtet (©Fraunhofer ILT)

CFK-Bauteile werden Mithilfe von Ultrakurzpuls-Laserstrahlung entschichtet (©Fraunhofer ILT)

Ungleiche Bauteile verbinden und Kunststoff-Bauteile umweltfreundlich metallisieren

Ein mögliches Einsatzgebiet des Verfahrens ist nach Meinung der Forscher die Vorbereitung einer festen Verbindung zwischen Verbundmaterialien und angrenzenden Bauteilen. Artungleiche Kunststoffe können in einem Folgeschritt direkt an die freigelegte Faserstruktur angespritzt werden, wobei sie die Fasern umgeben und formschlüssig miteinander gefügt werden. Auch für nachfolgende Arbeitsschritte mittels Kleben eignet sich das Verfahren.

Für bestimmte Anwendungen müssen CFK- und Kunststoff-Bauteile mit leitfähigen Schichten versehen werden. Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig, wurde das Verfahren so weiterentwickelt, dass Kunststoffbauteile ohne Verwendung von schädlichen Cr(VI)-Verbindungen mit einer haftfesten Kupferschicht versehen werden können. Auch eine Direktmetallisierung ist möglich. Anwendung findet das Verfahren für hochbelastete Antennenkörper aber auch zur Verchromung von dekorativen Leichtbauteilen. (me)

Mit Laser vorbehandeltes und anschließend metallisiertes 3D-Bauteil aus CFK (©Fraunhofer ILT)

Mit Laser vorbehandeltes und anschließend metallisiertes 3D-Bauteil aus CFK (©Fraunhofer ILT)

Weiterführende Information
  • Lasertechnik für industrielle Leichtbauanwendungen
    Kunststoffe 05/2016, Seite 34 - 38

    Lasertechnik für industrielle Leichtbauanwendungen

    Effiziente Füge- und Trennverfahren für verschiedene Leichtbauwerkstoffen im Mikro- und Makrobereich

    Um innovative Leichtbaukonzepte in neuen, effizienteren Produkten umsetzen zu können, werden schnelle und zuverlässige Füge- und...   mehr

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