Flexibles Fügen von Faserverbundbauteilen

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Iso-Pin auf ein CFK-Laminat mit einer PA6.6 Matrix geschweißt

Ein Beispiel hierfür ist ein Iso-Pin bestehend aus PA6.6, der von dem Projektpartner DEVA Kunststofftechnik GmbH hergestellt wurde. Derartige Iso-Pins werden in sehr großen Stückzahlen produziert und in modernen Großraumflugzeugen verbaut. Eingesetzt werden diese unter anderem zum Fixieren von Brandschutzkomponenten und Dämmmaterialien. Im Rahmen des Projektes wurde der Pin auf ein CFK-Laminat mit einer PA6.6 Matrix geschweißt. In Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die lasergeschweißte Version eine deutlich höhere Festigkeit als geklebte Pins aufweist. Die benötigten Anbindungsflächen des Pins wurden verringert und dadurch eine direkte Gewichtsreduzierung ermöglicht. Diese Untersuchungen umfassten auch gealterte Proben, welche für sechs Wochen unterschiedlich konditioniert wurden, z. B. durch Lagerung bei 85% Raumfeuchte und 70°C.

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Multitalent Laserdurchstrahlschweißen

Um faserverstärkte Werkstoffe zu verbinden werden bisher beispielsweise Klebprozesse eingesetzt. Diese erfordern allerdings eine aufwendige Vorbereitung der Oberfläche sowie die Einhaltung von Trockenphase. Eine Alternative zum Kleben ist das mechanische Fügen durch 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.

Niedrigtransparente Werkstoffe schweißen

Ein weiterer Demonstrator ist ein aus glasfasergewebeverstärktem PEI bestehendes Versteifungspaneel, welches von dem Projektpartner AGC AeroComposites entwickelt wurde. Das Versteifungspaneel besteht aus zwei mit Ruß additivierten Omega-Profilen (LA), die mit für die Laserstrahlung teiltransparenten Deckplatten verschweißt wurden (Abbildung 2). Eine besondere Herausforderung beim Fügen dieses Bauteils bestand in der niedrigen Transmissivität der Deckplatten für die Schweißlaserwellenlänge, welche bei einer Materialstärke von 2,4 mm nur noch 17 % betrug. Beim Schweißen derartig niedrigtransparenter Werkstoffe muss bei der Auslegung des Fügeprozesses darauf geachtet werden, dass das LT-Bauteil nicht überhitzt und somit geschädigt wird. Abschließend wurden die geschweißten Versteifungspaneele von dem Projektpartner Element Materials Technology auf Torsion getestet und mit herkömmlich geklebten Versteifungspaneelen verglichen. Hierbei wurde festgestellt, dass die geschweißten Paneele im Vergleich zu den geklebten Varianten etwa dreimal höhere Torsionskräfte aufnehmen können bevor ein Versagen auftritt.

Zusätzlich wurden Untersuchungen zur Erweiterung des Prozessverständnisses an unterschiedlich verstärkten thermoplastischen Werkstoffen durchgeführt und für die Entwicklung von Fügeparametern genutzt. Dieses ermöglicht in Zukunft eine schnelle Entwicklung von laserbasierten Schweißprozessen für neue Werkstoffe, welche noch nicht in dem Projekt zum Einsatz gekommen sind.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass in dem Projekt LaWocs das Laserdurchstrahlschweißen für endlosfaserverstärkte thermoplastische Bauteile erfolgreich vom LZH erweitert worden ist. Somit wurde die Grundlage für eine industrielle Einsetzbarkeit dieser Technologie zum Fügen derartiger Werkstoffe geschaffen.

Das LZH bedankt sich beim Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förderung des Eurostars Projektes LaWocs (FKZ: 01QE1002D). (jup)

* *Composites Group, Production and Systems Department am LZH.

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