Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Faserverbundmaterialien auf Kunststoffbasis (Faserverst\u00e4rkte Kunststoffe (FVK)) finden aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen mechanischen Belastbarkeit in vielf\u00e4ltigen Bereichen, wie beispielsweise Luftfahrt und Automobilbau, Anwendung.
\nDie formbasierte Herstellung der FVK-Bauteile bedingt einen \u00dcbertrag des Trennmittels aus der Form auf das fertige Bauteil. Da sich das Trennmittel nachteilig auf die Weiterverarbeitung auswirkt, m\u00fcssen F\u00fcgefl\u00e4-chen sowie die gesamte Au\u00dfenfl\u00e4che vor dem Aufbringen der Lackierung, die das Rotorblatt vor Umweltein-fl\u00fcssen wie Sonneneinstrahlung durch UV-Licht, Erosion und vor Salzwasser sch\u00fctzt, vorbehandelt werden. Zur mechanischen Reinigung werden \u00fcberwiegend manuelle und nach neuestem Stand der Technik auch erste automatisierte Schleifverfahren oder Strahlprozesse eingesetzt. Diese Verfahren sind jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden und erzeugen gro\u00dfe Mengen gesundheitssch\u00e4dlicher sowie umweltbelastender und explosiver St\u00e4ube und \/ oder nicht recyclingf\u00e4higer Strahlmittelr\u00fcckst\u00e4nde. Beide Technologien k\u00f6nnen zudem bei unsachgem\u00e4\u00dfer Anwendung zu einer Sch\u00e4digung der Fasern und einer Reduktion der mechani-schen Best\u00e4ndigkeit f\u00fchren.
\nEine vielversprechende Alternative stellt die Oberfl\u00e4chenvorbereitung mittels Laserstrahlung mit einem in der Polymermatrix hohen Absorptionsverhalten dar. Ein m\u00f6glicher Wellenl\u00e4ngenbereich, der eine Absorption von nahezu 100 % in Epoxidharzen zeigt, liegt bei etwa ~3 \u03bcm. Ein laserbasiertes Verfahren bietet die M\u00f6g-lichkeit einer hohen Effizienz bei gleichzeitig hoher Prozessstabilit\u00e4t. Allerdings mangelt es derzeit an geeig-neten fasergekoppelten Lasersystemen, die eine effektive und effiziente Oberfl\u00e4chenvorbereitung von FVK-Bauteilen auf einem industrierelevanten Leistungsniveau erm\u00f6glichen.
\nZiel des DBU-Projekts 3KLANK war die Bereitstellung eines robusten, effizienten und flexiblen Vorbehand-lungsverfahrens f\u00fcr Faserverbundmaterialien, welches im industriellen Umfeld einsetzbar ist. Mittels eines vom Fraunhofer ILT und der cleanLASER GmbH neuentwickelten frequenzkonvertierten Lasersystems mit einer Emissionswellenl\u00e4nge von 3 \u00b5m ist eine Reinigung der Faserverbundwerkstoffoberfl\u00e4che durch einen schonenden und gezielten Laserabtrag der Kunststoffmatrix m\u00f6glich, ohne die f\u00fcr die Materialfestigkeit wichtigen Fasern zu sch\u00e4digen. Diese Strahlqualle stellt die Basis f\u00fcr die Entwicklung und Optimierung neuer Prozesse zur Laserbehandlung von Oberfl\u00e4chen zur Optimierung von Lackier- und Klebprozessen. Das Fraunhofer IFAM bringt die ben\u00f6tigte Expertise auf dem Gebiet der Verbesserung der Haftfestigkeit von Lacken und Klebstoffen sowie in der Stabilisierung gegen\u00fcber Alterungseffekten oder korrosiven Angriffen ein.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden-\tAm Laborsystem am ILT werden Vorversuche an FVK-Materialien zur Vorbehandlung zum Lackieren und Kleben durchgef\u00fchrt. Die Behandlungseffekte werden analysiert und Rahmenbedingungen f\u00fcr die Auslegung des Funktionsdemonstrators sowie weitere Materialbearbeitungsversuche abgeleitet. F\u00fcr die Faserstrahlf\u00fchrung werden im Labor Koppelversuche durchgef\u00fchrt und Lichtwellenleiter f\u00fcr die Anwendung charakterisiert.
\n–\tVerschiedene FVK-Materialien werden f\u00fcr die Materialbearbeitungsversuche ausgew\u00e4hlt und be-schafft. Anhand der chemischen (insbesondere Trennmittelkontamination) und topographischen Ausgangszust\u00e4nde und der Vorversuche werden Parameterfelder f\u00fcr die Versuchsreihen entwickelt. Die behandelten Oberfl\u00e4chen werden sowohl in Hinblick auf ihre Lackhaftfestigkeit (Gitterschnittpr\u00fc-fungen im trockenen und gealterten Zustand) als auch auf ihre Klebfestigkeit (Zug-Scher-Pr\u00fcfungen im trockenen Zustand und nach Kataplasma-Alterung) gepr\u00fcft. An ausgew\u00e4hlten Proben wird zudem eine Oberfl\u00e4chenanalytik durchgef\u00fchrt.
\n–\tAuf Basis des bestehenden Laboraufbaus werden vom Fraunhofer ILT Designvorgaben und Spezifi-kationen f\u00fcr die Konstruktion eines industrietauglichen Funktionsdemonstrators eines Lasersystems zur FVK-Vorbehandlung bei einer Wellenl\u00e4nge von 3 \u03bcm erarbeitet und an cleanLASER \u00fcbergeben. Produktspezifikationen und Lastenhefte f\u00fcr die Beschaffung von optischen Komponenten werden abgeleitet und diese werden beschafft.
\n–\tDie Konstruktion erfolgt basierend auf den Vorgaben. Eine Bearbeitungsoptik wird ausgelegt und Linsensysteme f\u00fcr die Strahlformung berechnet. Die Basisstrahlquelle wird aufgebaut, f\u00fcr die Fre-quenzkonversion optimiert und charakterisiert. Das Geh\u00e4use f\u00fcr Basisstrahlquelle und Frequenzkon-verter wird aufgebaut und mit den optischen und opto-mechanischen Komponenten best\u00fcckt.
\n–\tDer Funktionsdemonstrator wird aufgebaut, getestet und charakterisiert. Unterschiedliche Lichtwel-lenleiter werden erprobt.
\n–\tF\u00fcr eine mobile Bearbeitungsstation wird ein Schaltschranksystem mit Bearbeitungsbereich, der ausgelegten Optik und Achssystem zur Probenzustellung konstruiert. Die Komponenten werden be-schafft und das System wird aufgebaut.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Im Rahmen des Projektes wurde nachgewiesen, dass ein sch\u00e4digungsfreies Reinigen von Faserverbund-werkstoffen mit der Wellenl\u00e4nge von 3 \u00b5m m\u00f6glich ist und gute Ergebnisse insbesondere f\u00fcr Klebprozesse liefert.<\/p>\n
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass der Laserprozess entgegen den Erwartungen einem Bottom-Up Prozess gleicht. Das hei\u00dft, das Matrixmaterial wird nicht selektiv von oben nach unten abgetragen. Ein ho-her Teil der Strahlung transmittiert und f\u00fchrt erst an der ersten Faserlage zur Ablation des dar\u00fcber liegenden Matrixmaterials. Damit ist die ausschlie\u00dfliche Entfernung des Trennmittels von der obersten Matrixschicht nicht ohne weiteres m\u00f6glich, der Abtrag erfolgt immer bis auf die erste Faserlage.
\nF\u00fcr eine sp\u00e4tere Verklebung der Komponenten ist die Unversehrtheit der kraftleitenden Kohlefasern nach der Laserbehandlung und die Tiefenwirkung der Strahlung von Bedeutung. Anhand der Untersuchungen an be-handelten Proben konnte gezeigt werden, dass sowohl die freigelegten Fasern als auch darunter liegendes Material unbesch\u00e4digt bleibt. Vielmehr konnte mittels EDX-Messungen nachgewiesen werden, dass die die Fasern umgebende und f\u00fcr eine anschlie\u00dfende Anbindung des Epoxid-basierten Klebstoffs wichtige Schlichte nach dem Laserprozess um die Faser erhalten geblieben ist. Die Analyse der Klebversuche best\u00e4-tigen eine gute Haftung auf den freigelegten Fasern.
\nDurch eine angepasste Optik konnten h\u00f6here Laserintensit\u00e4ten auf der Oberfl\u00e4che erzeugt werden, die zur direkten Ablation in der Matrixschicht f\u00fchrten. Eine deutliche Steigerung der Zugscherfestigkeit, f\u00fcr die mit der erh\u00f6hten Laserfl\u00e4chenleistung vorbehandelten Proben sowohl im gealterten als auch im ungealterten Zustand ist zu erkennen. Die Festigkeiten liegen auf dem Niveau der korundgestrahlten Proben oder sogar dar\u00fcber.<\/p>\n
F\u00fcr die untersuchten Lacksysteme war die Freilegung der Faserlage unvorteilhaft, da die Benetzbarkeit er-schwert wurde.<\/p>\n
Zum Projektende ist die Konstruktion und Bestellung der Komponenten f\u00fcr einen mobilen Funktionsde-monstrator mit Bearbeitungsoptik und Achssystem in Form eines Schaltschrankaufbaus abgeschlossen.
\nNach Projektende wird ein industrienahes Bearbeitungssystem bei cleanLASER zur Verf\u00fcgung stehen, an welchem die Erprobungen an verschiedenen Materialien fortgesetzt wird, um weitere Anwendungsfelder zu ermitteln.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Vorstellung der Ergebnisse auf dem Interantional Laser Technology Congress AKL\u201924 (April 2024) ist geplant.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Zum Abschluss des Projektes steht eine gepulste 3 \u00b5m Strahlquelle mit 18 W Ausgangsleistung im industrie-tauglichen Geh\u00e4use zur Verf\u00fcgung. Der Aufbau des Schaltschranks mit Bearbeitungskammer steht kurz vor der Fertigstellung. Eine Bearbeitungsoptik mit unterschiedlichen F-Theta Objektiven wurde ausgelegt und wird in den Schaltschrank integriert. Mit der Fertigstellung steht eine Bearbeitungsstation f\u00fcr einfache Pro-bengeometrien einer Gr\u00f6\u00dfe bis zu 300 x 300 mm\u00b2 zur Verf\u00fcgung.
\nDie Faserkopplung der 3 \u00b5m Strahlung konnte im Projekt nicht zufriedenstellend gel\u00f6st werden. Die Unter-suchungen haben gezeigt, dass die Fluoridfasern die erwartet hohe Transmission aufweisen, jedoch nicht dauerstabil bei den hohen (Puls-)Leistungen betrieben werden k\u00f6nnen. Dagegen sind die Verluste bei der robusten Germaniumfaser f\u00fcr einen wirtschaftlichen Einsatz des 3 \u00b5m-Lasersystems zu hoch. Prinzipiell wur-de mit der Konfiguration einer Zirkoniumfluoridfaser mit GeG-Endcaps eine vielversprechende L\u00f6sung ermit-telt, die jedoch im Rahmen des Projektes aufgrund von Herstellungs- und Konfektionierungsschwierigkeiten nicht getestet werden konnte.
\nDie durchgef\u00fchrten Versuchsreihen haben gezeigt, dass der 3 \u00b5m-Laserprozess kein Top-Down-Prozess ist, sondern viel mehr die Strahlung bei ausreichend geringer Deckharzschicht direkt von den Kohlefasern auf-genommen wird und vermutlich durch thermische Verspannungen im Material zum Abplatzen der Deckharz-schicht f\u00fchrt. Dies hat zur Folge, dass ab einer bestimmten materialabh\u00e4ngigen Schwellenleistung eine Fa-serfreilegung und Reinigung der Oberfl\u00e4che stattfindet. Unterhalb dieser Leistung kann Inkubationsverhalten der EP-Matrix beobachtet werden, allerdings keine Reinigung der Oberfl\u00e4che. Bei erh\u00f6hter Laserfl\u00e4chenleis-tung k\u00f6nnen Bereiche mit hoher Deckharzschicht ebenfalls abgetragen werden. In Bereichen mit geringer Deckharzschicht resultiert diese Behandlung weiter in einem Freilegen der oberfl\u00e4chennahen Faser. Die Fa-sern werden durch das Freilegen nicht gesch\u00e4digt, vielmehr kann sogar der Verbleib, der f\u00fcr die Klebstoff-anbindung wichtigen Schlichte, auf den Fasern nach einer Laserbehandlung nachgewiesen werden. Mit den Laserparametern mit gesteigerter Fl\u00e4chenleistung werden vergleichbare oder sogar h\u00f6here Klebfestigkeiten in Zugscher- und Mode-I-Belastung als f\u00fcr die Referenzverfahren erreicht, sowohl vor als auch nach der Alte-rung. Einzig die Lackierbarkeit verschlechtert sich, vermutlich durch die Faserfreilegung und somit das Ent-stehen einer hydrophoben Oberfl\u00e4che.
\nGerade f\u00fcr die Klebvorbehandlung bietet die 3 \u00b5m-Laserbehandlung Einsparungen an Ressourcen:
\n–\t – Reduktion von Strahlmittel und somit keine Wiederaufarbeitung dieser notwendig
\n–\t – Keine Verwendung von einmal nutzbarem Abrei\u00dfgewebe notwendig
\n–\t – Keine L\u00f6sungsmittel zur Reinigung notwendig
\nDas Verst\u00e4ndnis der Strahlungs-Materialwechselwirkung konnte im Rahmen des Projektes grundlegend er-weitert werden. Die Ergebnisse aus den Materialcharakterisierungen sind richtungsweisend f\u00fcr die weitere Entwicklung der Technologie. Um einen wirtschaftlichen Prozess zu gestalten und somit hohe Fl\u00e4chenge-schwindigkeiten zu erzielen, ist eine Steigerung der Laserausgangsleistung notwendig, um gerade bei Mate-rialien mit gro\u00dfer Deckharzschicht eine sichere Reinigung zu gew\u00e4hrleisten. Einen weiteren Vorteil w\u00fcrde die Homogenisierung des Strahlprofils mittels Faserkopplung mit sich bringen. Optimalerweise k\u00f6nnte ein rechteckiges Strahlprofil erzeugt werden, welches von Vorteil w\u00e4re, um den Puls\u00fcberlapp bei der Vorbe-handlung zu reduzieren und so eine weitere Steigerung der Fl\u00e4chengeschwindigkeit zu erm\u00f6glichen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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