Automatisierte 3D-Bearbeitung von CFK-Leichtbaustrukturen

BMBF-Verbundprojekt HolQueSt 3D abgeschlossen / Lasermaterialbearbeitung soll Serientauglichkeit von CFK-Leichtbau voran bringen.

3D-Lasermaterialbearbeitung eines automobilen CFK-Bauteils. Bild: Laser Zentrum Hannover e.V.

17.03.17

BMBF-Verbundprojekt HolQueSt 3D / Laser Zentrum Hannover e. V.

Die Bearbeitung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) bringt viele Herausforderungen mit sich. Photonische Verfahren bieten hier Lösungen: Die hohe Flexibilität und insbesondere die berührungslose, verschleißfreie Wirkungsweise des Lasers bietet Vorteile für die Bearbeitung von CFK-Werkstoffen. Die lokale, für die jeweilige Fertigungsanforderung maßgeschneiderte Energieeinbringung eröffnet für die Bearbeitung temperaturempfindlicher Werkstoffe neue Möglichkeiten. Für die industrielle Umsetzung von laserbasierten Bearbeitungsprozessen sind ein hohes Prozessverständnis, eine hohe Automatisierbarkeit sowie die Betrachtung von Umwelt und Bedienerschutz notwendig.

Im Januar 2017 endete das von der Volkswagen AG koordinierte Verbundprojekt HolQueSt 3D, in dem sich sieben Projektpartner mit der 3D Hochleistungs-Laserbearbeitung für eine prozesssichere, automatisierte Fertigung von CFK-Leichtbaustrukturen beschäftigt haben. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative „Photonische Verfahren und Werkzeuge für den ressourceneffizienten Leichtbau“ gefördert. Die interdisziplinäre Zusammensetzung des Konsortiums ermöglichte die umfassende Betrachtung der drei zentralen Aspekte der Lasermaterialbearbeitung von CFK.

Projektarbeiten entlang der Wertschöpfungskette

Primäres Ziel des Projektes war es, die Serientauglichkeit des CFK-Leichtbaus durch automatisierte, prozesssichere Lasermaterialbearbeitung in 3D voranzubringen. Der von der TRUMPF Laser GmbH entwickelte Hochleistungsscheibenlaser mit einer Pulsdauer von tp = 30 ns und einer maximalen mittleren Leistung von PL = 1500 W bildete dafür die Grundlage. Die KMS Automation GmbH entwickelte angepasste Spannvorrichtungen für die Bearbeitung unterschiedlicher Bauteile und berücksichtigte dabei die verschiedenen Besonderheiten bei der Lasermaterialbearbeitung, wie die möglichst bauteilnahe Absaugung der Prozessemissionen und den Laserschutz.

Die neu entwickelte Hardware wurde am Laser Zentrum Hannover e.V. zusammengetragen, aufeinander abgestimmt und in eine eigens für das Projekt errichtete Roboterzelle integriert. Gemeinsam mit dem Endanwender Volkswagen AG erfolgte die Prozessentwicklung zum roboterbasierten Remote-Schneiden dreidimensionaler CFK-Bauteile. Die Grundlagen wurden dabei an einem speziell für das Projekt designten generischen CFK-Bauteil entwickelt und anschließend auf die Realbauteile der Partner INVENT GmbH und Volkswagen AG übertragen.

Neue Reparaturkonzepte und Abluftreinigungssysteme

Ein weiterer Aspekt des Projekts betrifft die Entwicklung von Reparaturkonzepten, um die Nachhaltigkeit von CFK-Bauteilen zu erhöhen. In Zusammenarbeit der beiden Forschungseinrichtungen, Laser Zentrum Hannover e.V. und dem Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik der TU Clausthal sowie der INVENT GmbH wurden Prozessstrategien für die Schäftung geschädigter Bereiche und die anschließende Reparatur entwickelt. Die flexible Anlagentechnik ermöglichte dabei das Abtragen großer Flächen auch auf komplexen Freiformflächen. Die vom Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik entwickelten Reparaturkonzepte kommen dabei ohne Aushärtung im Autoklaven aus, wodurch eine flexiblere und vor allem kostengünstigere Reparatur auch in kleinen Standorten und Werkstätten möglich wird.

Das dritte Ziel betrifft die Erfassung und Analyse der auftretenden Emissionen sowie die Entwicklung einer katalytischen Abluftnachbehandlung, welche auf die Anforderungen bei der Laserbearbeitung von CFK abgestimmt wird. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Absaugstrategien untersucht, um die Effektivität von prozessnaher und Raumabsaugung zu evaluieren.

Unter Berücksichtigung der Prozessemissionen im Hinblick auf Partikelgrößen und Zusammensetzung entwickelte die Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH ein Abluftreinigungssystem, welches sich aus einem mechanisch thermischen Filter und einer anschließenden regenerativen, katalytischen Oxidationseinheit zusammensetzt. Dieses vollständig regenerativ, kontinuierlich arbeitende Abluftreinigungssystem ermöglicht eine effektive Abluftnachbehandlung ohne zusätzliche Filterstoffe und ohne Entsorgung von Reststoffen.

Die Projektergebnisse wurden während der Projektlaufzeit kontinuierlich von der Volkswagen AG evaluiert und in Bezug auf die Serientauglichkeit, Wirtschaftlichkeit und die Auswirkungen auf Folgeprozesse bewertet. Zum Projektende konnte durch die Bearbeitung eines automobilen Realbauteils final die Konzepttauglichkeit der entwickelten Prozesse festgestellt werden. Somit konnte durch die Projektergebnisse die Grundlage für eine industrielle Einsetzbarkeit gezeigt werden.

Weitere Informationen

Download Steckbrief BMBF-Verbundprojekt HolQueSt 3D (PDF)

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