Schweißen Flexibles Fügen von Faserverbundbauteilen

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Verena Wippo* / Juliana Pfeiffer

CFK und GFK gewinnen für die Industrie immer mehr an Bedeutung. Neue laserbasierte Schweißverfahren wurden nun im Eurostars-Projekt LaWocs entwickelt.

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Im Rahmen des LaWocs-Projektes wurde ein Iso-Pin auf ein CFK-Laminat mit einer PA 6.6 Matrix geschweißt.
Im Rahmen des LaWocs-Projektes wurde ein Iso-Pin auf ein CFK-Laminat mit einer PA 6.6 Matrix geschweißt.
(Bild: LZH)

Ein zentrales Ziel im Bereich des Umweltschutzes ist es Energie einzusparen, indem der Treibstoffverbrauch im Mobilitätssektor gesenkt und damit verbunden CO2-Emissionen reduziert werden. Dies stellt eine Herausforderung für alle produzierenden Industrien vom Flugzeug- über den Fahrzeugbau bis zum Schiffbau dar. Zur Umsetzung werden vor allem neue Leichtbaukonzepte basierend auf der Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten (CFK) und glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) entwickelt. Diese Werkstoffe bieten ein hohes Potential zur Gewichtseinsparung 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 Ver- und Bearbeitungskonzepten sind daher ein wichtiges Entwicklungsthema weltweit.

Im Rahmen des europäischen Eurostars-Projektes LaWocs (Laser transmission welding of thermoplastic composite structures) wurden daher neue laserbasierte Schweißverfahren zum Fügen thermoplastischer Faserverbundbauteile entwickelt. Durch die internationale Zusammenarbeit der Projektpartner AGC AeroComposites, DEVA Kunststoff-Technik GmbH, Element Materials Technology, EPL Composite Solutions Ltd, Faserinstitut Bremen e.V., Kok & Van Engelen Composite Structures BV, Laser Zentrum Hannover e. V. (LZH) und TenCate Advanced Composites BV konnten alle Teilprozesse der Material- und Prozessentwicklung, der Bauteilherstellung sowie der Bauteilprüfung erstmalig im Zusammenspiel in einem Verbund dargestellt und optimiert werden.

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Laserdurchstrahlschweißen erweitert

Hierfür wurde insbesondere ein industriell etabliertes Laserverfahren zum Schweißen unverstärkter und kurzfaserverstärkter Werkstoffe für die Bearbeitung endlosfaserverstärkter Strukturen vom LZH weiterentwickelt. Dieses Verfahren zeichnet sich vor allem durch seine hohe Flexibilität, die geringe Wärmeeinbringung und Zuverlässigkeit aus. Beim Laserdurchstrahlschweißen wird ausgenutzt, dass naturbelassene thermoplastische Polymere im nahen infraroten Spektralbereich teiltransparent (LT) sind und somit die Laserstrahlung nur geringfügig abschwächen. Mit Ruß additivierte oder mit Kohlenstofffasern verstärkte Kunststoffe (CFK) absorbieren elektromagnetische Strahlung hingegen sehr stark (LA). Existiert ein hinreichender Kontakt zwischen beiden Fügepartnern, so trifft der Laserstrahl nach Durchgang durch den LT-Fügepartner auf den LA-Fügepartner. Hier erfolgt die Umsetzung von Strahlungsenergie in Wärme und durch Wärmeleitung wird auch der LT-Fügepartner aufgeschmolzen, wodurch sich eine Schweißverbindung ausbildet.

Die Bearbeitung mit Laserstrahlung ist kontaktfrei, d.h. es wirken neben dem aufzubringenden statischen Fügedruck keine zusätzlichen Kräfte auf das Bauteil während des eigentlichen Fügeprozesses, und die Laserenergie wird gezielt dort eingebracht, wo sie zur Ausbildung einer Schweißnaht benötigt wird. Zusätzlich kann über eine berührungslose Temperaturmessung mit Pyrometern 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.

Durch die Entwicklung angepasster Strahlformungs- und führungsstrategien konnten im Rahmen des Projektes LaWocs verschiedene Demonstratoren geschweißt werden, welche aus unterschiedlichsten Matrixsystemen bestehen. So wurden unter anderem Demonstratoren aus Polyetheretherketon (PEEK), Polyamid 6.6 (PA6.6) und Polyetherimid (PEI) hergestellt.

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