CarboLase

Neue Fertigungsmethode für carbonfaserverstärkte Kunststoffe

Carbonfaserverstärkte Kunststoffbauteile (CFK-Bauteile) werden normalerweise mit Verbindungselementen, die in das ausgehärtete und anschließend gebohrte CFK-Bauteil eingeklebt werden, montiert. Das Konsortium des EFRE geförderten Projekts „CarboLase“ hat eine neue Methode entwickelt: Mit einem Ultrakurzpulslaser werden bereits in der textilen Vorform mikrometergenaue Löcher gebohrt und mit Verbindungselementen versehen. Anschließend wird das CFK-Bauteil ausgehärtet. Das spart nicht nur Zeit, sondern brachte dem Team 2019 auch eine Auszeichnung mit dem renommierten CAMX-Award in der Kategorie »Combined Strength« ein und hilft dabei, Nordrhein-Westfalens Spitzenstellung als internationaler Wissenschafts- und Forschungsstandort weiter auszubauen.

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) vereinen Kunststoffe und Fasern, zum Beispiel aus Kohlenstoff, miteinander zu Werkstoffteilen. So entstehen Bauteile, die sehr stabil und robust, aber auch enorm leicht sind. Dadurch eignen sich Bauteile aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) ideal für die Automobilherstellung oder den Einsatz in der Luft- und Raumfahrttechnik.

Hergestellt werden CFK, indem die Kohlenstofffasermatten mehrlagig in eine Kunststoffmatrix eingebettet werden und mit Kunststoff getränkt werden. Die Logik hinter dem Verfahren: Die Matrix umgibt und schützt die Fasern, verteilt die Belastung gleichmäßig und verhindert so, dass sich die Fasern gegeneinander verschieben – ähnlich wie etwa bei Wellpappe. Die Herstellung von carbonfaserverstärkten Kunststoffen ist jedoch teuer und anspruchsvoll: die Matrix muss möglichst gut und umfassend auf den winzigen Fasern haften, es dürfen keine Hohlräume oder Lufteinschlüsse entstehen und natürlich sollten im Verhältnis möglichst viele Fasern auf möglichst wenig Matrix kommen.

Noch komplizierter wird es, wenn CFK-Elemente mit konventionellen Bauteilen verbunden werden müssen: Hier wird normalerweise auf metallische Verbindungselemente zurückgegriffen, für die extra passgenaue Löcher in fertige CFK-Elemente gebohrt werden. In diese werden dann z. B. Inserts mit Innengewinden geklebt – ein zeit- und ressourcenaufwändiger Prozess, der zudem die Stabilität des Materials schmälert.

CFK ohne Bohren

Genau hier setzt das Projekt CarboLase an, das die Stärken nordrhein-westfälischer Wirtschaftsunternehmen mit denen der ansässigen Wissenschaftseinrichtungen verbindet: Das Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT entwickelte zusammen mit dem Institut für Textiltechnik ITA der RWTH Aachen und den Unternehmen AMPHOS, LUNOVU und KOHLHAGE eine Methode, mit der der gesamte Prozessschritt des Bohrens eingespart wird. Stattdessen können die Hersteller von CFK-Bauteilen die Verbindungselemente nun bereits in die textilen Rohlinge einsetzen; das Verbindungselement und der Rohling, der sogenannte Preform, werden dann gemeinsam mit Kunstharz behandelt und härten gemeinsam aus.

Der Vorteil ist offensichtlich: im Fertigungsprozess werden Zeit, Kosten und Ressourcen eingespart, das CFK-Element kann rascher weiterverarbeitet werden. Um weiterhin höchst präzise Aussparungen im Textil-Rohling zu garantieren, hat das Fraunhofer ILT zusammen mit seinen Kooperationspartnern eine Kombination aus CNC-Zuschnitt, Laserbearbeitung und Automatisierung entwickelt und die einzelnen Technologien und Arbeitsschritte in einer Roboterzelle integriert.

Die Preforms werden dabei zunächst mittels CNC-Maschinen zugeschnitten und gestapelt, bevor mit einem Ultrakurzpulslaser passgenau die nötigen Aussparungen gebohrt werden, in die die Verbindungselemente gesetzt werden. Die Strahlung zum Laserscanner, der sich am Roboterarm befindet, wird dabei nicht, wie sonst üblich, über Spiegel geleitet, sondern mit einer neuartigen Systemtechnik, die auf dem Einsatz einer Hohlkernfaser beruht.

Gründliche Prüfungen erster Bauteile, die mit diesem neuen Verfahren entstanden, zeigen: Das CarboLase-Verfahren bietet nicht nur eine größere Designfreiheit, was die Lage und Größe der Verbindungsstellen angeht. Darüber hinaus sind so hergestellte Bauteile und Fügestellen auch wesentlich stabiler als Bauteile mit geklebten Verbindungselementen. So können dank des neuen Verfahrens Dicke und Gewicht der benötigten Bauteile noch einmal wesentlich reduziert werden.

Die Entwicklung stärkt nicht nur die Wettbewerbsfähigkeit der Region, auch international stößt das CarboLase-Verfahren bereits auf große Aufmerksamkeit und hohes Interesse: So holten die Projektpartner im September 2019 den renommierten CAMX-Award der Composites and Advanced Materials Expo in Kalifornien in der Kategorie „Combined Strength“ nach Nordrhein-Westfalen und stellten die hohe Innovationskraft des Wissenschafts- und Wirtschaftsstandorts NRW unter Beweis.

Bild (© Fraunhofer ILT, Aachen)



Facts & Figures

1.341.052 €  Bewilligte Gesamtzuwendung
davon
867.371 € EFRE Fördermittel
473.681 € NRW Landesmittel


Projektpartner

Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT
Institut für Textiltechnik ITA, RWTH Aachen
AMPHOS GmbH
LUNOVU GmbH
KOHLHAGE GmbH


Schwerpunkt

Verbesserung der Innovationsfähigkeit von Unternehmen


Laufzeit

01.03.2017 - 31.07.2019