Mit Laser und Plasma auf dem Weg zu effizientem Faserverbundleichtbau

Als eines der führenden Laseranwendungsinstitute der Fraunhofer-Gesellschaft verstärkt das Fraunhofer IWS seine Aktivitäten auf dem Gebiet des Faserverbundleichtbaus. Auf der Composites Europe 2015 präsentierten die Wissenschaftler das Hochgeschwindigkeitsfügen von thermoplastischen Polymeren durch den Einsatz von Reaktivfolien.

LARGE-Plasmaquelle, Breite: 150 mm, Plasma: Ar-N₂ / Bildquelle: Fraunhofer IWS Dresden

Nur einen Lidschlag dauert es und die Verbindung von thermoplastischer Probe und Metall-, Keramik- oder Polymerbauteil ist fertig. Möglich werden diese Prozesszeiten durch den Einsatz sogenannter reaktiver Multischichtsysteme (RMS). Diese zwischen 20 und 100 µm starken Folien werden zwischen die zu fügenden Bauteile gelegt. Durch eine lokale Aktivierung über einen elektrischen Funken oder Laserpuls reagieren die Einzellagen der RMS chemisch miteinander. Diese Reaktion setzt eine definierte Energiemenge frei und schmilzt im Fügebereich den thermoplastischen Fügepartner auf. Der aufgebrachte Fügedruck sorgt für das reproduzierbare Verbinden mit dem Bauteil.

Um eine gute Haftfestigkeit des Thermoplasts zu erzielen ist eine optimierte Oberflächenvorbehandlung notwendig. Hierbei wird auf die langjährigen Erfahrungen der Forscher der Arbeitsgruppe „Kleben und Faserbundtechnik“ beim strukturellen Kleben zurückgegriffen. Neben der Feinreinigung und chemischen Aktivierung durch eine Plasmabehandlung zeigt insbesondere die makroskopische Strukturierung positive Effekte bei der Erhöhung der Verbindungsfestigkeit. Hierbei kommt das flexible Werkzeug LASER zum Einsatz. Es ersetzt aufwendige mechanische Strahl- oder nasschemische Prozesse.

remocut^®-Technologie – Moderne Hochleistungslaser können Bauteiloberflächen flexibel und schnell strukturieren. Sollen Bearbeitungsraten von einigen Quadratzentimetern pro Sekunde erzielt werden, so wird ein brillanter kontinuierlich emittierender Laserstrahl über eine Strahlablenkoptik geführt. Diese lenkt die Lichtenergie über sehr schnell verkippbare Spiegel auf die Oberfläche, so dass das Material mit bis zu 10 Metern pro Sekunde abgetragen wird. In Abhängigkeit der Anzahl der Zyklen können mit dieser Technologie Makrostrukturen erzeugt oder auch vollständige Laserschnitte durchgeführt werden. Auch diese vielversprechenden Schneid-Ergebnisse sind auf dem Messestand, der gemeinsam mit einem langjährigen Industriepartner genutzt wird, zu sehen.

LARGE: Plasma-Vorbehandlung für große Flächenraten – Kommerzielle Plasmaquellen zur Vorbehandlung von Polymer- oder Metalloberflächen können typischerweise Behandlungsbreiten von wenigen Zentimetern realisieren. Durch den unaufhaltsamen Trend zur Massenfertigung von Faserverbundstrukturen steigen aber auch die Anforderungen hinsichtlich hochproduktiver Oberflächenbehandlungs- und Fügetechniken. Deshalb wurde am Fraunhofer IWS im Geschäftsfeld „Chemische Oberflächen- und Reaktionstechnik“ eine Großflächen-Plasmaquelle für diesen Einsatzfall entwickelt. Sie ermöglicht die Großflächen-Vorbehandlung von beispielsweise CFK-Strukturen mit bis zu 50 Metern in der Minute bei typischen Behandlungsbreiten von bis zu 35 Zentimetern.

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Text zum Titelbild: Hutprofil aus CFK, gefügt durch den Einsatz reaktiver Multischichtsysteme (RMS) / Bildquelle: Fraunhofer IWS Dresden