Lichtblitze für CFK

© Foto | TRUMPF

Faserverbundwerkstoffe sind trendy, aber schwer zu bearbeiten. Als Werkzeug setzen Fertigungstechniker immer häufiger auf Laserlicht: Denn es arbeitet verschleißfrei, exakt und hochproduktiv.

Vor allem im Automobilbau, der Luftfahrt und Windenergie sind carbonfaser-verstärkte Kunststoffe (CFK) in. Sie sind ein wichtiger Teil der Antwort auf brennende Fragen der Zeit: Klimaschutz, E-Mobilität, Ressourceneffizienz, Nachhaltigkeit. Diese Megatrends sind entscheidende Treiber für den Leichtbau und damit auch für den Einsatz von Faserverbundwerkstoffe.

Die Konstrukteure lieben die geflochtenen Leichtmaterialien ob ihrer Steifigkeit. Fertigungstechniker dagegen runzeln die Stirn, denn hier treffen zwei sehr unterschiedliche Werkstoffe in einem Verbund zusammen, die Fasern und der Kunststoff. Beide verhalten sich in der Bearbeitung völlig anders: Geht ein Fräser butterweich durch den Kunststoff, kann er sich trotzdem an den harten Fasern die Schneide stumpf drehen.

Diese zwei so unterschiedlichen Materialeigenschaften machen die Wahl des richtigen Verfahrens und des richtigen Werkzeugs so schwer. Fertigungstechniker in der Industrie suchen derzeit nach schnelleren, sichereren und produktiveren Verfahren, mit CFK umzugehen.

An mehreren Stellen in der Prozesskette setzt sich der Laser als geeignetes Werkzeug für faserverstärkte Kunststoffe durch: beim Schneiden der Roh- und Bauteile, beim Schichtabtrag zur Klebevorbereitung, sowie beim Fügen von Metall mit Kunststoff.

Laserschneiden von CFK

Die grundsätzliche Herausforderung beim Schneiden von Faserverbundwerkstoffen ist, dass das Material widerspenstig und empfindlich zugleich ist. Das stellt alle mechanischen Bearbeitungsverfahren vor Probleme. Beim Wasserstrahlschneiden mit Abrasivmitteln nimmt die faserige Schnittkante durch Fremdpartikel leicht Schaden oder wird feucht, wodurch sich Fasern von der Matrix lösen. Beim Schneiden wirken starke Prozesskräfte auf das Werkstück ein. Im Ergebnis sind die Schnitte daher oft nicht glatt und Fasern stehen über.

Das ist grundsätzlich auch eine Gefahr bei spanender Bearbeitung. Der Nachteil dort liegt jedoch hauptsächlich in den hohen Bearbeitungskosten. Denn Fräser oder Bohrer verschleißen rasch an den harten Fasern und müssen mehrmals pro Schicht gewechselt werden. Auch wenn sich Materialdicke und –beschaffenheit ändern, ist oft ein Werkzeugwechsel fällig. Diese Umrüstpausen kosten Zeit, die ständig neuen Werkzeuge viel Geld. Und um unter diesen Bedingungen in der Produktion gleichbleibend hohe Qualität zu garantieren, ist eine ständige Werkzeugüberwachung nötig – ein weiterer Kostenfaktor.

Die Vorteile des Laserlichts liegen hier auf der Hand: Es verschleißt nie und arbeitet berührungslos am Werkstück. Mit ihm erzielen Hersteller konstant hohe Qualität und reproduzierbare Ergebnisse. Lasertechniker haben es inzwischen geschafft, die Unterschiede bei Materialdicke und –beschaffenheit im laufenden Prozess automatisch über einmal hinterlegte Parameter auszugleichen. Doch es gibt noch mehr Gründe, warum Licht das beste Schneidwerkzeug für CFK ist.

Verdampfen auf Abstand

Laserstrahlen bringen keine mechanischen Kräfte in das Bauteil ein. Daher ist es möglich, sehr dünne oder filigrane CFK-Teile genau zu bearbeiten. In Geometrie und Kontur ist der Lichtstrahl dabei sehr frei, da die Bearbeitungsoptik keinen Kontakt zum Werkstück braucht und über 150 Millimeter vom ihm entfernt ist. So kommt der Laserstrahl problemlos in enge Bauteilabschnitte.

Das Licht eines Festkörperlasers koppelt hervorragend in die Kohlefasern ein: Die perfekte Schnittkante bei diesem CF-Preform ohne überstehende Fasern erleichtert und beschleunigt das anschließende Handling. Foto | TRUMPF

Das Licht eines Festkörperlasers koppelt hervorragend in die Kohlefasern ein: Die perfekte Schnittkante bei diesem CF-Preform ohne überstehende Fasern erleichtert und beschleunigt das anschließende Handling. Foto | TRUMPF

Beim Laserschneiden von Kohlefasern (CF) und kohlefaserverstärkten Kunststoffen handelt es sich um einen Sublimierprozess: Das heißt, das Material, das mit hoher Energie exakt getroffen wird, verdampft sofort. Dabei entsteht keine Schmelze, die ausgetrieben werden muss. Der Schnitt ist glatt, keine Faser steht über. Die Wärmeeinflusszone an der Schnittkante ist minimal und hat nach heutiger Erkenntnis keinerlei Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Bauteils.

Naturkante für CFK-Bauteile

Die Präzision des Lasers wirkt sich auch beim Schneiden von Preform-Materialien positiv aus. Preform-Materialien sind trockene textile Halbzeuge, also quasi Matten, die noch ungehärtet und daher formbar sind. Für die Herstellung der Preforms legt man diese Matten nach dem Zuschnitt in ein Werkzeug, in dem sie unter Temperatureinfluss zu einem 3-D-Preform werden. Anschließend werden die Preforms dann zum Beispiel im sogenannten Resin-Transfer-Moulding-Prozess (RTM) mit Kunstharz infiltriert, der trocknet und aushärtet. So entstehen CFK-Bauteile mit komplexer, dreidimensionaler Geometrie.

Laser arbeiten in der Geometrie völlig frei. Foto | TRUMPF

Laser arbeiten in der Geometrie völlig frei. Foto | TRUMPF

Laserlicht schneidet die Preforms endkonturnah in einer Qualität und Geschwindigkeit zu, die andere Trennverfahren – zum Beispiel per Ultraschallmesser – nie erreichen: Lasergeschnittene Preforms haben eine klare, fixierte Naturkante ohne überstehende Fasern. Das vereinfacht das weitere Handling und macht Nachbearbeitungsschritte wie etwa Schleifen überflüssig. Die Preforms können darum sofort nach dem Laserbeschnitt in die RTM-Form eingelegt und infiltriert werden.

Der richtige Schneidelaser für CF, CFK und GFK

Faser-Matrixwerkstoffe gibt es viele verschiedene. Für die Laserbearbeitung ist das kein Problem, da es ja auch unterschiedliche Laserstrahlquellen gibt. Festkörperlaser eignen sich hervorragend, um CF-Halbzeuge oder CF-Gewebe und Gelege zuzuschneiden; das Licht koppelt vorzüglich in die Kohlefasern ein. Für CF mit einer Stärke von unter einem halben Millimeter reichen ein Kilowatt Laserleistung für eine Bearbeitungsgeschwindigkeit von über 20 Metern in der Minute – das ist zwei- bis dreimal so schnell wie Wasserstrahl oder Fräser.

Der Laser bearbeitet nicht nur CFK und GFK, sondern viele andere FVK-Kombinationen

Bei CFK-Werkstoffen oder glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) greift man zum CO2-Laser, für den die Glasfasern und der Matrixwerkstoff intransparent und damit bearbeitbar sind. Ab einer Materialstärke von zwei Millimetern schneidet ein Fünf-Kilowatt-Laser mit zehn Metern pro Minute; ebenfalls um den Faktor zwei bis drei schneller als konventionelle Verfahren.

Neben den hier genannten CFK und GFK bearbeiten Laser auch noch viele andere FVK-Kombinationen, zum Beispiel Verbunde mit Naturfasern oder Kombinationen aus GF und CF.

Laserbearbeitung von CFK. Video | TRUMPF

Abtragen als Klebevorbereitung

Neben dem Schneiden sind mit dem Laser noch andere Bearbeitungen an CFK möglich. Die wichtigste davon ist das Abtragen. Hier verdampfen Laserstrahlen präzise die oberste Schicht der Werkstoffe.

Diese Bearbeitung ist besonders zur Vorbereitung einer Klebeverbindung nützlich, für die der Abtrag oder das Anrauen der obersten Lackschicht erforderlich ist. Der Laser bearbeitet hier exakt den benötigten Bereich, so dass nur so viel Material abgetragen wird wie nötig. Eine weitere Stärke des Lichts ist auch hier die Freiheit: Es bereitet ohne Probleme auch runde anzuklebenden Bauteilen vor, indem es exakt die Geometrie abfährt.

Für eine großflächige, sehr schnelle Bearbeitung kommt bei der Klebevorbereitung ein CO2-Laser als Strahlquelle zum Einsatz. Sollen exakt definierte kleine Bereiche mit höchster Qualität bearbeitet werden, können Ingenieure hierfür seit ein paar Jahren auf industriell ausgereifte Ultrakurzpulslaser zurückgreifen. Diese erzeugen Lichtpulse mit einer Dauer von wenigen Pico- und sogar Femtosekunden.

So lassen sich feinste Bereiche nur wenigen Nanometer tief abtragen – ohne gratbildende Schmelzreste und qualitätsmindernde Materialerwärmung. Diese Technik erhöht die Präzision der Bearbeitung noch einmal erheblich.

Fügen von Metall und Kunststoff

Nieten oder Kleben sind heute die gängigen Verfahren, um CFK und Metall zu fügen. Hier können Laser die Bohrungen für den Nietprozess einbringen und die obere Lackschicht zur Klebevorbereitung abtragen. Beide Verfahren – Nieten und Kleben – bedeuten in der Produktion jedoch einen weiteren Arbeitsschritt und den Gebrauch zusätzlichen Materials.

Formschlüssige Verbindungen von faserverstärkten Kunststoffen mit Metall – ohne Zusatzmaterial

Darüber hinaus gibt es für beide Methoden lästige geometrische Restriktionen: Man muss etwa einen Fügeflansch anbringen oder das Bauteil muss zugänglich für das Nietwerkzeug sein. Darum suchen Fertigungstechniker nach eleganteren Verbindungslösungen und werden wieder beim Laser fündig: Mit ultrakurzgepulstem Laserlicht ist es möglich, Metall und faserverstärkten Kunststoff formschlüssig zu fügen.

Thermoplaste und Metall verschmelzen

Um Metall und thermoplastischen Kunststoff richtiggehend zu verzahnen, bereiten Ultrakurzpulslaser den metallischen Fügepartner vor: Sie arbeiten dort eine hinterschnittige Struktur ein.

Formschlüssige Verbindung von Metall und Faserverbundwerkstoff: Ein Ultrakurzpulslaser arbeitet eine hinterschnittige Struktur in das Metall. So können Kunststoff und heißes Metall regelrecht verschmelzen. Foto | TRUMPF

Formschlüssige Verbindung von Metall und Faserverbundwerkstoff: Ein Ultrakurzpulslaser arbeitet eine hinterschnittige Struktur in das Metall. So können Kunststoff und heißes Metall regelrecht verschmelzen. Foto | TRUMPF

Nun wird das strukturierte Metallbauteil auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Thermoplasts erwärmt. Je nach dem, was besser zu Bauteil oder Fertigungskette passt, übernimmt dies ein Induktor, ein Ofen oder ein anderer Laser. Drückt man nun das heiße Metall und den Kunststoff aneinander, beginnt der Thermoplast zu schmelzen: Der Kunststoff fließt in die lasergeschriebene, hinterschnittige Struktur und geht nach dem Erkalten eine formschlüssige Verbindung mit dem Metallteil ein – ganz ohne Zusatzmaterial.

Die Festigkeit der Fügung ist höher als beim Kleben – sowohl statisch wie auch dynamisch. Zudem lassen sich mit diesem Verfahren flüssigkeitsdichte Verbindungen ohne zusätzliche Dichtung schaffen etwa für Druckbehälter oder Außenhautbauteile. Typische Flächenraten liegen für Aluminium bei sechs Quadratzentimetern pro Sekunde; bei Stahl etwas geringer.

Strukturieren von Inserts

Konstrukteure aus der Automobilindustrie und Luftfahrt sehen oft metallische Bauteile im faserverstärkten Kunststoff vor, sogenannte Inserts. Das sind etwa Gewindehülsen oder Metallteile, über die dann die Verbindung zu weiteren Bauteilen erfolgt, zum Beispiel ein Scharnier für einen CFK-Heckdeckel.

Oberflächenabtrag an einem aramid-faserverstärktem Kunststoff (AFK). Foto | TRUMPF

Oberflächenabtrag an einem aramid-faserverstärktem Kunststoff (AFK). Foto | TRUMPF

Auch auf diesen Bauteilen generiert der Ultrakurzpulslaser eine hinterschnittige Struktur und ermöglicht eine elegante Verbindung mit duroplastischen Kunststoffen: Vor dem Infiltrieren der Bauteile legen die Ingenieure das strukturierte Metallbauteil in das Preform-Textil ein. Wenn sie es nun mit Harz infiltrieren und aushärten lassen bildet sich auch hier eine formschlüssige Verbindung.

Wie bei Blech so auch bei CFK

Wie in den letzten beiden Jahrzehnten schon bei Blechen, schickt sich der Laser nun an, in der CFK-Bearbeitung zu einem Standardwerkzeug zu werden. Die schlagenden Argumente für Laserlicht sind im Prinzip dieselben wie in der Blechbearbeitung: Es arbeitet schnell, verschleißfrei und berührungslos. Laserstrahlen geben Konstrukteuren neue Freiheiten, weil sie leichter komplexe Geometrien umsetzen können als mechanische Verfahren. Außerdem ist der Energieeintrag in das Werkstück bei Lasern so exakt kontrollierbar, dass auch filigrane Bearbeitungen an extrem dünnen Materialien kein Problem darstellen.

Die noch recht jungen industriellen Ultrakurzpulslaser ermöglichen eine sogenannte kalte Bearbeitung – also eine Bearbeitung mit einem Wärmeeintrag nahe Null. Sie stoßen das Tor weit auf für neue Ideen und Anwendungen.

Ich sehe in sämtlichen Branchen, in denen Leichtbau eine entscheidende Rolle spielt, noch großes Potenzial für eine effizientere und elegantere Bearbeitung von CFK-Materialien. Das Werkzeug hierfür wird immer öfter Laserlicht sein.

 

Foto | TRUMPF

Autor:

Marc Kirchhoff
Branchenmanagement Automobil bei TRUMPF
Tel.: +49 (0)7156 303-30113
E-Mail: Marc.Kirchhoff@de.TRUMPF.com

Bitte füllen Sie folgende Felder aus: Kommentar, Name & E-Mail-Adresse (Ihre E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht).