Luftfahrt: Die richtige Laserbearbeitung von CFK-Kunststoffen

BMBF-Verbund LABOKOMP erforscht und entwickelt Prozessstrategie für effiziente Fertigungsverfahren.

Laserbohrbearbeitung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen. Bild: Laser Zentrum Hannover e.V.

10.02.17

BMBF-Verbund LABOKOMP / VDI Technologiezentrum

Kompositwerkstoffe in Form von carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) werden in der Luftfahrt zunehmend eingesetzt da sie ein hohes Leichtbaupotenzial haben. Aufgrund steigender Stückzahlen sind die Flugzeughersteller und Zulieferer darauf angewiesen, ihre Fertigungsprozesse effizient und robust zu gestalten und dabei die hohen Qualitätsanforderungen der Luftfahrtindustrie einzuhalten. Auf der anderen Seite sind CFK-Werkstoffe zwar sehr beständig, können aber durch falsche Bearbeitung auch leicht geschädigt werden. Vor diesem Hintergrund sind die Anforderungen an die mechanische Bearbeitung entsprechend hoch.

Beim konventionellen Bohren unterliegen die Werkzeuge trotz des Einsatzes hochwertiger, diamantbeschichteter Hartmetallbohrer einem sehr hohen Verschleiß. Um die geforderte Bohrlochqualität zu erreichen und ein möglichst schonendes Bearbeiten der Bauteile zu ermöglichen, müssen die Bohrer dementsprechend häufig gewechselt werden. Das Bohren von CFK in der Luftfahrt ist ein Anwendungsfeld mit großem Marktpotential. Hier wird vor allem für Niet- und Schraubverbindungen eine hohe Anzahl an Bohrungen mit hohen Qualitätsanforderungen bei gleichzeitig geringen Zykluszeiten benötigt.

In Anbetracht der Nachteile mechanischer Verfahren existiert ein großer Bedarf an alternativen Bohrprozessen vor allem im Bereich von in großer Stückzahl produzierten Kleinbauteilen, aber auch zukünftig bei der Montage von Großstrukturen. Eine vielversprechende Alternative ist die Laserbearbeitung.

Über grundlegende Einflussparameter hinaus werden insbesondere Bearbeitungsstrategien mit Mehrfachüberfahrten betrachtet, die bei Anwendung in einem industrietauglichen Prozess zusätzlich bedarfsgerechte Lösungen für System-, Handhabungs- und Überwachungstechnik benötigen. Dies trifft umso stärker zu, wenn auf einem Bauteil eine Vielzahl von Bohrungen eingebracht und repositioniert werden muss. Exakt dieser Bedarf wird in diesem Projekt adressiert. In LABOKOMP wird das Hauptaugenmerk auf die hochpräzise und dynamische Positionierung vieler kleiner Bauteile, die dann wiederum in großen Stückzahlen gefertigt werden müssen, gelegt.

Im Verbundprojekt LABOKOMP haben sich die beiden klein- und mittelständischen Unternehmen (KMU) INVENT GmbH und KMS Technology Center GmbH, das Forschungsinstitut Laser Zentrum Hannover e.V., sowie die TRUMPF Laser GmbH und die Premium AEROTEC GmbH als großindustrielle Anwender  zusammengetan, um eine neuartige automatisierte Spann- und Positioniertechnik, die zusätzliche Funktionalitäten wie integrierte Schwingungserkennung und -dämpfung für hochdynamisches Positionieren der Bauteile enthält, zu erforschen. Die Zu- und Abführung von Prozessgasen oder die Kühlung der Werkstücke sind ebenfalls Bestandteil der Untersuchungen.

Da der Laserbearbeitungsprozess auch bei idealer Schneidstrategie zu einer thermischen Belastung des Materials führen kann, sollen entsprechende Untersuchungen und Material-prüfprogramme dazu dienen, mögliche Abminderungsfaktoren und Konstruktionsrichtlinien für lasergebohrte Bauteile zu ermitteln.

Als Gesamtziel soll der Laserbohrprozess zum Projektende eine Technologiereife erreichen, die als Grundlage für eine erfolgreiche Luftfahrtqualifizierung herangezogen und den Prozess zukünftig industriell nutzbar machen soll.

Die Kurzform des Verbunds LABOKOMP steht für „Laserstrahlbohren von Kompositwerkstoffen für Luftfahrtanwendungen“. Das Projekt ist Anfang August 2016 gestartet und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative „KMU-innovativ: Photonik“ bis Ende Juli 2019 mit 1,08 Millionen Euro gefördert.

Weitere Informationen

Download Steckbrief BMBF-Verbundprojekt LABOKOMP (PDF)

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