Leichtbau: Erfolgreiche Zusammenarbeit für das Fügen von Leichtbau-Strukturen

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Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) und sieben Partner beenden erfolgreich das Forschungsprojekt „LaWocs“. Von Dezember 2010 bis November 2013 haben die beteiligten nationalen und internationalen Projektpartner intensiv am „Laser transmission welding of thermoplastic composite structures“ gearbeitet.

Leichtbau mit Potenzial für Flugzeug, Fahrzeug und Schiff

Die Ziele im Bereich des Umweltschutzes sind ambitioniert – und sie müssen es sein. Hierzu gehören unter anderem eine Energieeinsparung durch Senkung des Treibstoffverbrauchs und damit verbunden eine Reduzierung von CO2-Emissionen. Dies ist eine Herausforderung für alle produzierenden Industrien vom Flugzeug- über den Fahrzeugbau bis zum Schiffbau. Zur Umsetzung werden neue Leichtbaukonzepte basierend auf der Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten (CFK) und glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) entwickelt. Diese Werkstoffe bieten ein hohes Gewichtseinsparungspotential bei gleichzeitig ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften. Somit gewinnen CFK und GFK für die Industrie immer mehr an Bedeutung. Ein genaues Verständnis dieser Werkstoffe kombiniert mit angepassten Verarbeitungskonzepten sind daher ein wichtiges Forschungsthema weltweit.

LaWocs: Laserdurchstrahlschweißen von thermoplastischen Composite-Strukturen

Das Eurostars Projekt LaWocs „Laser transmission welding of thermoplastic composite structures“ hat in den letzten drei Jahren, als erstes Forschungsprojekt überhaupt, das laserbasierte Fügen von Faserverbundwerkstoffen untersucht. Ziel des Projektes war die Abbildung einer Prozesskette beginnend bei einer schweißgerechten Konstruktion von Bauteilen über eine Anpassung der Werkstoffe bis hin zum Laserschweißprozess selbst.

Bisher werden beispielsweise Klebprozesse zum Verbinden von faserverstärkten Werkstoffen eingesetzt, welche allerdings eine aufwendige Vorbereitung der Oberfläche sowie die Einhaltung von Trockenphase erfordern. Eine Alternative zum Kleben ist das mechanische Fügen mittels Nieten oder Schrauben. Zu diesem Zweck müssen die Bauteile mit Löchern versehen werden, die den Kraftfluss entlang der Verstärkungsfasern unterbrechen. Das Laserdurchstrahlschweißen (engl. Laser Transmission Welding) bietet viele Vorteile für das Fügen thermoplastischer, faserverstärkter Materialien. Zu ihnen gehört eine hohe Flexibilität, die es ermöglicht, komplizierte Geometrien zu realisieren. Darüber hinaus ist die Bearbeitung mittels des Lasers kontaktfrei, d.h. es wirken keine zusätzlichen Kräfte auf das Bauteil, und die Laserenergie wird gezielt dort eingebracht, wo sie zur Ausbildung einer Schweißnaht benötigt wird. Über eine berührungslose Temperaturmessung mit Pyrometern kann zudem eine Prozessregelung umgesetzt werden, um beispielsweise thermoplastisches GFK mit CFK zuverlässig zu verschweißen. Somit lassen sich durch den Einsatz von Lasern zum Fügen von Verbundwerkstoffen Produktionsprozesse deutlich vereinfachen. Gleichzeitig bietet dieses Verfahren ein hohes Automatisierungspotential. Zudem ermöglicht das Laserdurchstrahlschweißen eine Produktion mit kurzen Taktzeiten und großen Stückzahlen, welche entscheidende Voraussetzungen für den Einsatz in der industriellen Fertigung sind.

Europäische Kompetenz auf der ganzen Linie

Die europäische Zusammenarbeit erlaubte, alle Aspekte der einzelnen Fertigungsschritte von Faserverbundbauteilen in einem Forschungsverbund darzustellen. Im Rahmen des dreijährigen Verbundprojektes wurden neue Materialen designt, die den Anforderungen des Laserdurchstrahlschweißens genügen, ohne die mechanischen Eigenschaften zu beeinflussen. Zusätzlich wurden Untersuchungen zum Verständnis des Schweißprozesses an verschiedenen thermoplastischen Materialien durchgeführt und für die Entwicklung von Fügeparametern genutzt. Somit konnten die Projektpartner ELEMENT, KVE, EPL, TODS, DEVA, TENCATE, FIBRE und LZH alle Teilprozesse der Material- und Prozessentwicklung, der Bauteilherstellung sowie der Bauteilprüfung erstmalig im Zusammenspiel umsetzen und optimieren.

Der Fügeprozess

Eine zentrale Aufgabe des Projektes, die Entwicklung eines laserbasierten Verfahrens zum Fügen von endlosfaserverstärkter Composite-Strukturen, lag in der Verantwortung der Wissenschaftler der Gruppe Verbundwerkstoffe des LZHs. Für die Umsetzung dieser Schweißprozesse wurden die optischen Eigenschaften von thermoplastischen Werkstoffen genutzt, die im nahinfraroten Spektralbereich (NIR) teiltransparent sind und von entsprechender Laserstrahlung durchdrungen werden können. Die Laserstrahlung wird dann an Kohlenstofffasern bzw. an Rußpartikeln in einem zweiten Fügepartner absorbiert und die elektromagnetische Strahlung wird in Wärme umgewandelt. Durch Wärmeleitung zwischen den beiden Fügepartnern werden die beteiligten Kunststoffe aufgeschmolzen und es bildet sich eine Schweißnaht aus. Die Gruppe Verbundwerkstoffe entwickelte unter anderem Prozesse zum Fügen von niedrig transparenten Faserverbundwerkstoffen. Zu diesen gehören u.a. glasfaserverstärkte Organobleche basierend auf einer Polyetherimid (PEI)-Matrix, welche bis zu einer Materialstärke von 2,4 mm verschweißt wurden. Darüber hinaus wurden Verfahren entwickelt, um thermoplastische Winkel und Halter mit Bauteilen aus umgeformten Organoblechen zu verschweißen.

Lasergeschweißte Aircraft-Pins – ein Modell für die Zukunft

Sogenannte Aircraft-Pins, die zu hunderttausenden jährlich produziert und in modernen Großraumflugzeugen verbaut werden, sind nur ein Beispiel für Realbauteile, die im Fokus des Projektes LaWocs standen. Diese werden zum Beispiel in Fußbodenpanelen zum Fixieren von Brandschutzkomponenten und Dämmmaterialien verbaut. Tests konnten bereits zeigen, dass die lasergeschweißte Version eine höhere Festigkeit als geklebte Pins aufweist, welches eine Gewichtsreduzierung des Pins ermöglicht. Das Laserdurchstrahlschweißen stellt somit eine hervorragende Lösung für das schnelle Fügen von thermoplastischen, faserverstärkten Werkstoffen dar. Die Arbeiten im Rahmen des Projektes bieten eine exzellente Grundlage um einen automatisierten Prozesses für die industrielle Produktion dieser Leichtbauteile zu entwickeln und so eine ressourcenbewusste, umweltschonende Entwicklung im Transportwesen zu ermöglichen.

Projektpartner:

  • DEVA DEVA Kunststoff-Technik GmbH (Deutschland)
  • ELEMENT Element Materials Technology (Großbritannien)
  • EPL EPL Composite Solutions Ltd (Großbritannien)
  • Fibre Faserinstitut Bremen e.V. (Deutschland)
  • KVE Kok & Van Engelen Composite Structures BV (Niederlande)
  • LZH Laser Zentrum Hannover e. V. (Deutschland)
  • TENCATE TenCate Advanced Composites BV (Niederlande)
  • TODS Tods Aerospace Limited (Großbritannien)
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