DOC 0,08 MB - Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Presseinformation
Aachen,
01. April 2010
Mit Licht leicht gemacht
Leicht, stabil und korrosionsbeständig – faserverstärkte
Kunststoffe sind ein idealer Werkstoff für den Boots- und
Automobilbau, für die Luft- und Raumfahrt. Die
Verarbeitung der Ausgangsmaterialien galt bisher jedoch als
aufwändig und teuer. Auf der JEC Composites Show 2010
vom 13.-15. April in Paris zeigen Fraunhofer-Forscher, in
Halle 1 Stand T18 wie sich mit Laserlicht faserverstärkte
Kunststoffe schnell, sauber, zuverlässig und automatisiert
herstellen lassen.
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Marketing und Kommunikation
Dipl.-Phys. Axel Bauer
Steinbachstraße 15
52074 Aachen
Telefon 0241 8906-194
Fax 0241 8906-121
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Je leichter desto besser. Mit einem Mountainbike, das wenig
wiegt, lassen sich Berge einfacher bezwingen. Ein Auto, das
weniger Gewicht auf die Achsen bringt, spart Sprit. Auch bei
Flugzeugen, Satelliten und Windrädern feilschen die
Konstrukteure um jedes Gramm. Faserverstärkte Kunststoffe
sind ideal für den Einsatz in der Sportgeräte- und
Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt: Sie sind fünfzig bis
siebzig Prozent leichter als Stahl, fünfzehn bis zwanzig Prozent
leichter als Aluminium, ihre Stabilität und Bruchfestigkeit sind
hoch. Ihre Verarbeitung gilt bisher jedoch als kompliziert und
aufwändig: Die Hersteller von Bootsrümpfen, Flugzeugteilen
oder Rotorblättern müssen mit aufwändigen Formwerkzeugen
arbeiten, die mit Glas- oder Kohlefasermatten ausgelegt
werden. Im zweiten Prozessschritt saugt eine Pumpe die Luft
ab, bevor flüssiges Harz die Matten tränkt – das Vakuum
verhindert, dass sich an den Fasern Luftbläschen sammeln, die
später die Stabilität beeinträchtigen. Zum Aushärten benötigt
man riesige Öfen. Am Ende müssen die Bauteile auch noch
verklebt werden. Doch künftig wird dies einfacher: Auf der JEC
Composites Show 2010 in Paris zeigen Fraunhofer-Forscher,
wie sich Faserverbundwerkstoffe mit Laserlicht herstellen und
verbinden lassen – ohne dass mit Matten und Harz hantiert
werden muss.
Bauteile aus faserverstärkten Bändern
Um faserverstärkte Kunststoffe vollautomatisch herstellen zu
können, haben Ingenieure und Wissenschaftler am FraunhoferInstitut für Produktionstechnologie IPT ein neues Verfahren
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entwickelt. Die Zutaten für das »Tape-Legen« kommen von der
Rolle: Die Kohlefasern sind in kilometerlange Kunststoffbänder
aus aufschmelzbarem Thermoplast integriert. Diese Bänder
sind trotz ihres geringen Gewichts überdurchschnittlich
belastbar – die Ingenieure messen und bewerten hier die
Schlag-, Zug- und Rissfestigkeiten. Um aus den Tapes stabile
Bauteile zu fertigen, werden mehrere Bandlagen aufeinander
gestapelt, kurz vor dem Ablegen mit dem Laser
angeschmolzen und dann zu einer kompakten Struktur
zusammengepresst. Auf diese Weise verschmelzen die Bänder
miteinander und kühlen, weil der Laser die Energie
zielgerichtet und wohldosiert an das Material abgibt, auch
schnell wieder aus. Energie- und Zeitaufwand wird so
minimiert. Verglichen mit bisherigen Fertigungsverfahren –
beispielsweise dem Fügen von Bändern mit Heißluft – ist die
Qualität sogar besser. Die Nachfrage der Industrie nach dem
neuen Verfahren ist daher schon jetzt, noch während der
Prototypenphase, hoch.
Laserlicht schafft Verbindungen
Mit Laserstrahlen können die Ingenieure sogar Bauteile
zusammenkleben: Auf der JEC in Paris präsentieren die
Fraunhofer-Forscher eine neue Fügetechnik für glas- oder
kohlefaserverstärkte Kunststoffe. »Alles was wir dazu
brauchen, ist ein Laser, der infrarotes Licht aussendet«, erklärt
Wolfgang Knapp vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnologie
ILT. »Das infrarote Laserlicht schmilzt die Oberfläche der
Kunststoffteile auf. Wenn man sie zusammenpresst, solange
sie noch flüssig sind und sie dann aushärten lässt, entsteht eine
äußerst stabile Verbindung.«
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Selbst kompliziert geformte und sperrige Bauteile aus
faserverstärktem Kunststoff lassen sich so stabil verschmelzen,
dass sie den hohen Anforderungen genügen, die Automobil-,
Luft- und Raumfahrtindustrie stellen. »Hier muss das Material
enormen Beschleunigungen, Vibrationen und
Temperaturdifferenzen standhalten, dabei wird 200prozentige
Sicherheit verlangt«, erklärt Knapp. Zusammen mit seinen
Kollegen hat er den Prozess des Laserfügens optimiert: »Das
Know-how steckt in der Prozesssteuerung: in der Einstellung
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des Abstands von Laserkopf und Oberfläche, in der Zeit, die der
Laserstrahl an einer Stelle verweilt, in der Kalibrierung des
Drucks, mit dem die Oberflächen aufeinandergedrückt
werden.« Der Charme der Technik liegt in ihrer Vielseitigkeit:
Mit dem Infrarotlaser lassen sich beliebige Bauteile aus
Faserverbundwerkstoff zusammenschweißen – Rumpfteile für
Flugzeuge, tragende Strukturen für Pkws, Teile von
Bootsrümpfen, Raketentanks.
Materialien für den Extremfall
Die Möglichkeiten, Laser in der Herstellung und Verarbeitung
von Faserverbundwerkstoffen einzusetzen, sind schier
unbegrenzt: »Die neuen Fügetechniken eignen sich für alle
thermoplastischen Materialien, die starken Beanspruchungen
ausgesetzt sind.«, resümiert Knapp, der den FraunhoferGemeinschaftsstand koordiniert. »Weil
Faserverbundwerkstoffe nicht nur stabil sind, sondern auch
leicht, sparen sie Energie bei jeder Art von Beschleunigung –
egal ob zu Land, zu Wasser, in der Luft oder im Weltraum.«
Bildunterschrift:
Beim Tape-Legen werden kohlefaserverstärkte Kunststoffbänder mit Laser verschweißt.
Dadurch entstehen stabile Faserverbundwerkstoffe.
Quelle: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT.
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