Luftfahrt: neuartiger Laserbohrprozess für Kompositwerkstoffe

KMU-innovativ | 17.04.2018
Erstellt von BMBF-Verbundprojekt/INVENT GmbH, Braunschweig

Der BMBF-Verbund LABOKOMP erforscht und entwickelt eine Prozessstrategie für effiziente Fertigungsverfahren. Zur Projekthalbzeit steht eine neuartige kurzgepulste Laserstrahlquelle zur Bohrung von CFK-Laminaten für die Luftfahrt bereit.

Gruppenbild der Projektpartner
Die Partner des BMBF-Verbundprojekts LABOKOMP beim Meilensteintreffen vor der Anlage im Laser Zentrum Hannover. Bild: Laser Zentrum Hannover e.V.

Kompositwerkstoffe in Form von carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) haben ein hohes Leichtbaupotenzial und werden zunehmend in der Luftfahrt eingesetzt. 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. Das Bohren von CFK in der Luftfahrt ist ein Anwendungsfeld mit großem Marktpotenzial. Hier wird vor allem für Niet- und Schraubverbindungen eine hohe Anzahl an Bohrungen mit hohen Qualitätsanforderungen bei gleichzeitig geringen Zykluszeiten benötigt. Da die mechanischen Bohrverfahren Nachteile haben, z. B. geringe Standzeit der Bohrer, besteht ein großer Bedarf an alternativen Bohrprozessen vor allem bei Kleinbauteilen, die in großer Stückzahl produziert werden – und künftig auch bei der Montage von Großstrukturen. Eine vielversprechende Alternative zu den mechanischen Bohrverfahren ist die Laserbearbeitung.

Prozessstrategie für effiziente Fertigungsverfahren

Der Fokus des Forschungsprojekts LABOKOMP liegt auf der hochpräzisen und dynamischen Positionierung vieler kleiner Bauteile. 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.

Das Projekt ist in drei Phasen eingeteilt: Zu Beginn erarbeiten die Partner auf Basis einfacher Plattenmaterialien und Testkörper einen Laserbohrprozess, der geeignet ist, Bohrungen in der geforderten hohen Qualität zu erzeugen. Anschließend werden die ermittelten Parameter auf bauteilnahen Konturen angewendet, um den Prozess auf dreidimensionale Strukturen übertragen zu können. In der letzten Projektphase soll beurteilt werden, ob das Verfahren für ein luftfahrtrelevantes, industrielles Umfeld geeignet ist. Außerdem werden Vorarbeiten durchgeführt, die für eine eventuelle spätere Luftfahrtqualifizierung nützlich sind.

Bohrprozess etabliert

Zur Halbzeit des Projekts steht am Laser Zentrum Hannover eine neuartige kurzgepulste Laserstrahlquelle der Firma TRUMPF bereit. Sie verfügt über eine sehr hohe Pulsenergie und sehr gute Strahlparameter und ist mit einem Scannersystem sowie entsprechender Peripherie gekoppelt. An der neu entwickelten Anlage werden die zukünftigen Prozesse in Bohrversuchen mit unterschiedlichen Laserparametern und Bearbeitungsstrategien an luftfahrtrelevanten CFK-Laminaten erprobt, bewertet und optimiert.

Die Beurteilung der Bohrungsqualität erfolgt unter anderem durch ein mechanisches Testprogramm: Anhand typischer Werkstoffprüfmethoden wird belegt, dass die Materialeigenschaften durch den Laserprozess nicht maßgeblich negativ beeinträchtigt werden. Vergleichende Prüfergebnisse von mechanischen und physikalischen Tests an lasergebohrten sowie konventionell gebohrten Werkstoffproben zeigen nur geringe Unterschiede, die im Rahmen der üblichen Messgenauigkeit dieser Test liegen. Zum jetzigen Projektstand wird mit der entwickelten Laserbearbeitungsmethode kein negativer Einfluss der Wärmeeinflusszone festgestellt. Darüber hinaus werden mikroskopische Untersuchungen durchgeführt, um die Qualität optisch zu beurteilen und die Flankenwinkel der Bohrung zu ermitteln.

Zur Durchführung der Versuche dient eine Spannvorrichtung für Plattenwerkstoffe, die zur Aufnahme aller auf dem Testplan stehenden Materialkonfigurationen geeignet ist. Die Spannvorrichtung entwickelt die Firma KMS. Die Testmaterialien ebenso wie die konventionell gebohrten Proben und Musterbauteile fertigen die beteiligten Luftfahrtindustrieunternehmen Premium AEROTEC und INVENT an. Bauteilspezifische Spannvorrichtungen sind konstruktiv erarbeitet und befinden sich derzeit in der fertigungstechnischen Umsetzung, so dass nun die nächste Projektphase – die Bearbeitung von bauteilnahen Konturen – wie geplant beginnen kann.

Die Projektpartner

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.
Das Projekt startete im August 2016 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

Mehr über das Projekt LABOKOMP erfahren.

Projektkoordinator
Maik Wonneberger
INVENT GmbH
Christian-Pommer-Str. 34
38112 Braunschweig
Telefon: +49 531 24466-95
E-Mail: maik.wonneberger@invent-gmbh.de