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.
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.
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.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung war an der Förderung des Eurostars Projektes LaWocs (FKZ: 01QE1002D) beteiligt.
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Projektpartner
- DEVA Kunststoff-Technik GmbH (Deutschland)
- Element Materials Technology (Großbritannien)
- EPLEPL Composite Solutions Ltd (Großbritannien)
- FibreFaserinstitut Bremen e.V. (Deutschland)
- KVE Kok & Van Engelen Composite Structures BV (Niederlande)
- LZH Laser Zentrum Hannover e. V. (Deutschland)
- TenCate Advanced Composites BV (Niederlande)
- Tods Aerospace Limited (Großbritannien)
Kontakt
Lena Bennefeld
Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)
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