Projekt 36019/01

3 ?m Laseranlage zur Klebe- und Lackiervorbehandlung in der nachhaltigen Konditionierung von Faserverbundmaterialien

ProjektdurchfĂŒhrung

Clean-Lasersysteme GmbH
Dornkaulstr. 6 - 8
52134 Herzogenrath
Telefon: +49 9097 151

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Faserverbundmaterialien auf Kunststoffbasis (FaserverstÀrkte Kunststoffe (FVK)) finden aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen mechanischen Belastbarkeit in vielfÀltigen Bereichen, wie beispielsweise Luftfahrt und Automobilbau, Anwendung.
Die formbasierte Herstellung der FVK-Bauteile bedingt einen Übertrag des Trennmittels aus der Form auf das fertige Bauteil. Da sich das Trennmittel nachteilig auf die Weiterverarbeitung auswirkt, mĂŒssen FĂŒgeflĂ€-chen sowie die gesamte AußenflĂ€che vor dem Aufbringen der Lackierung, die das Rotorblatt vor Umweltein-flĂŒssen wie Sonneneinstrahlung durch UV-Licht, Erosion und vor Salzwasser schĂŒtzt, vorbehandelt werden. Zur mechanischen Reinigung werden ĂŒberwiegend 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 große Mengen gesundheitsschĂ€dlicher sowie umweltbelastender und explosiver StĂ€ube und / oder nicht recyclingfĂ€higer StrahlmittelrĂŒckstĂ€nde. Beide Technologien können zudem bei unsachgemĂ€ĂŸer Anwendung zu einer SchĂ€digung der Fasern und einer Reduktion der mechani-schen BestĂ€ndigkeit fĂŒhren.
Eine vielversprechende Alternative stellt die OberflÀchenvorbereitung mittels Laserstrahlung mit einem in der Polymermatrix hohen Absorptionsverhalten dar. Ein möglicher WellenlÀngenbereich, der eine Absorption von nahezu 100 % in Epoxidharzen zeigt, liegt bei etwa ~3 ”m. Ein laserbasiertes Verfahren bietet die Mög-lichkeit einer hohen Effizienz bei gleichzeitig hoher ProzessstabilitÀt. Allerdings mangelt es derzeit an geeig-neten fasergekoppelten Lasersystemen, die eine effektive und effiziente OberflÀchenvorbereitung von FVK-Bauteilen auf einem industrierelevanten Leistungsniveau ermöglichen.
Ziel des DBU-Projekts 3KLANK war die Bereitstellung eines robusten, effizienten und flexiblen Vorbehand-lungsverfahrens fĂŒr Faserverbundmaterialien, welches im industriellen Umfeld einsetzbar ist. Mittels eines vom Fraunhofer ILT und der cleanLASER GmbH neuentwickelten frequenzkonvertierten Lasersystems mit einer EmissionswellenlĂ€nge von 3 ”m ist eine Reinigung der FaserverbundwerkstoffoberflĂ€che durch einen schonenden und gezielten Laserabtrag der Kunststoffmatrix möglich, ohne die fĂŒr die Materialfestigkeit wichtigen Fasern zu schĂ€digen. Diese Strahlqualle stellt die Basis fĂŒr die Entwicklung und Optimierung neuer Prozesse zur Laserbehandlung von OberflĂ€chen zur Optimierung von Lackier- und Klebprozessen. Das Fraunhofer IFAM bringt die benötigte Expertise auf dem Gebiet der Verbesserung der Haftfestigkeit von Lacken und Klebstoffen sowie in der Stabilisierung gegenĂŒber Alterungseffekten oder korrosiven Angriffen ein.



Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden- Am Laborsystem am ILT werden Vorversuche an FVK-Materialien zur Vorbehandlung zum Lackieren und Kleben durchgefĂŒhrt. Die Behandlungseffekte werden analysiert und Rahmenbedingungen fĂŒr die Auslegung des Funktionsdemonstrators sowie weitere Materialbearbeitungsversuche abgeleitet. FĂŒr die FaserstrahlfĂŒhrung werden im Labor Koppelversuche durchgefĂŒhrt und Lichtwellenleiter fĂŒr die Anwendung charakterisiert.
- Verschiedene FVK-Materialien werden fĂŒr die Materialbearbeitungsversuche ausgewĂ€hlt und be-schafft. Anhand der chemischen (insbesondere Trennmittelkontamination) und topographischen AusgangszustĂ€nde und der Vorversuche werden Parameterfelder fĂŒr die Versuchsreihen entwickelt. Die behandelten OberflĂ€chen werden sowohl in Hinblick auf ihre Lackhaftfestigkeit (GitterschnittprĂŒ-fungen im trockenen und gealterten Zustand) als auch auf ihre Klebfestigkeit (Zug-Scher-PrĂŒfungen im trockenen Zustand und nach Kataplasma-Alterung) geprĂŒft. An ausgewĂ€hlten Proben wird zudem eine OberflĂ€chenanalytik durchgefĂŒhrt.
- Auf Basis des bestehenden Laboraufbaus werden vom Fraunhofer ILT Designvorgaben und Spezifi-kationen fĂŒr die Konstruktion eines industrietauglichen Funktionsdemonstrators eines Lasersystems zur FVK-Vorbehandlung bei einer WellenlĂ€nge von 3 ”m erarbeitet und an cleanLASER ĂŒbergeben. Produktspezifikationen und Lastenhefte fĂŒr die Beschaffung von optischen Komponenten werden abgeleitet und diese werden beschafft.
- Die Konstruktion erfolgt basierend auf den Vorgaben. Eine Bearbeitungsoptik wird ausgelegt und Linsensysteme fĂŒr die Strahlformung berechnet. Die Basisstrahlquelle wird aufgebaut, fĂŒr die Fre-quenzkonversion optimiert und charakterisiert. Das GehĂ€use fĂŒr Basisstrahlquelle und Frequenzkon-verter wird aufgebaut und mit den optischen und opto-mechanischen Komponenten bestĂŒckt.
- Der Funktionsdemonstrator wird aufgebaut, getestet und charakterisiert. Unterschiedliche Lichtwel-lenleiter werden erprobt.
- FĂŒr 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.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Projektes wurde nachgewiesen, dass ein schĂ€digungsfreies Reinigen von Faserverbund-werkstoffen mit der WellenlĂ€nge von 3 ”m möglich ist und gute Ergebnisse insbesondere fĂŒr Klebprozesse liefert.

Die Untersuchungen haben gezeigt, dass der Laserprozess entgegen den Erwartungen einem Bottom-Up Prozess gleicht. Das heißt, das Matrixmaterial wird nicht selektiv von oben nach unten abgetragen. Ein ho-her Teil der Strahlung transmittiert und fĂŒhrt erst an der ersten Faserlage zur Ablation des darĂŒber liegenden Matrixmaterials. Damit ist die ausschließliche Entfernung des Trennmittels von der obersten Matrixschicht nicht ohne weiteres möglich, der Abtrag erfolgt immer bis auf die erste Faserlage.
FĂŒr eine spĂ€tere 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 unbeschĂ€digt bleibt. Vielmehr konnte mittels EDX-Messungen nachgewiesen werden, dass die die Fasern umgebende und fĂŒr eine anschließende Anbindung des Epoxid-basierten Klebstoffs wichtige Schlichte nach dem Laserprozess um die Faser erhalten geblieben ist. Die Analyse der Klebversuche bestĂ€-tigen eine gute Haftung auf den freigelegten Fasern.
Durch eine angepasste Optik konnten höhere LaserintensitĂ€ten auf der OberflĂ€che erzeugt werden, die zur direkten Ablation in der Matrixschicht fĂŒhrten. Eine deutliche Steigerung der Zugscherfestigkeit, fĂŒr die mit der erhöhten LaserflĂ€chenleistung vorbehandelten Proben sowohl im gealterten als auch im ungealterten Zustand ist zu erkennen. Die Festigkeiten liegen auf dem Niveau der korundgestrahlten Proben oder sogar darĂŒber.

FĂŒr die untersuchten Lacksysteme war die Freilegung der Faserlage unvorteilhaft, da die Benetzbarkeit er-schwert wurde.

Zum Projektende ist die Konstruktion und Bestellung der Komponenten fĂŒr einen mobilen Funktionsde-monstrator mit Bearbeitungsoptik und Achssystem in Form eines Schaltschrankaufbaus abgeschlossen.
Nach Projektende wird ein industrienahes Bearbeitungssystem bei cleanLASER zur VerfĂŒgung stehen, an welchem die Erprobungen an verschiedenen Materialien fortgesetzt wird, um weitere Anwendungsfelder zu ermitteln.



Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation

Die Vorstellung der Ergebnisse auf dem Interantional Laser Technology Congress AKL’24 (April 2024) ist geplant.


Fazit

Zum Abschluss des Projektes steht eine gepulste 3 ”m Strahlquelle mit 18 W Ausgangsleistung im industrie-tauglichen GehĂ€use zur VerfĂŒgung. 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 fĂŒr einfache Pro-bengeometrien einer GrĂ¶ĂŸe bis zu 300 x 300 mmÂČ zur VerfĂŒgung.
Die Faserkopplung der 3 ”m Strahlung konnte im Projekt nicht zufriedenstellend gelöst werden. Die Unter-suchungen haben gezeigt, dass die Fluoridfasern die erwartet hohe Transmission aufweisen, jedoch nicht dauerstabil bei den hohen (Puls-)Leistungen betrieben werden können. Dagegen sind die Verluste bei der robusten Germaniumfaser fĂŒr einen wirtschaftlichen Einsatz des 3 ”m-Lasersystems zu hoch. Prinzipiell wur-de mit der Konfiguration einer Zirkoniumfluoridfaser mit GeG-Endcaps eine vielversprechende Lösung ermit-telt, die jedoch im Rahmen des Projektes aufgrund von Herstellungs- und Konfektionierungsschwierigkeiten nicht getestet werden konnte.
Die durchgefĂŒhrten Versuchsreihen haben gezeigt, dass der 3 ”m-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 fĂŒhrt. Dies hat zur Folge, dass ab einer bestimmten materialabhĂ€ngigen Schwellenleistung eine Fa-serfreilegung und Reinigung der OberflĂ€che stattfindet. Unterhalb dieser Leistung kann Inkubationsverhalten der EP-Matrix beobachtet werden, allerdings keine Reinigung der OberflĂ€che. Bei erhöhter LaserflĂ€chenleis-tung können Bereiche mit hoher Deckharzschicht ebenfalls abgetragen werden. In Bereichen mit geringer Deckharzschicht resultiert diese Behandlung weiter in einem Freilegen der oberflĂ€chennahen Faser. Die Fa-sern werden durch das Freilegen nicht geschĂ€digt, vielmehr kann sogar der Verbleib, der fĂŒr die Klebstoff-anbindung wichtigen Schlichte, auf den Fasern nach einer Laserbehandlung nachgewiesen werden. Mit den Laserparametern mit gesteigerter FlĂ€chenleistung werden vergleichbare oder sogar höhere Klebfestigkeiten in Zugscher- und Mode-I-Belastung als fĂŒr 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 OberflĂ€che.
Gerade fĂŒr die Klebvorbehandlung bietet die 3 ”m-Laserbehandlung Einsparungen an Ressourcen:
- - Reduktion von Strahlmittel und somit keine Wiederaufarbeitung dieser notwendig
- - Keine Verwendung von einmal nutzbarem Abreißgewebe notwendig
- - Keine Lösungsmittel zur Reinigung notwendig
Das VerstĂ€ndnis der Strahlungs-Materialwechselwirkung konnte im Rahmen des Projektes grundlegend er-weitert werden. Die Ergebnisse aus den Materialcharakterisierungen sind richtungsweisend fĂŒr die weitere Entwicklung der Technologie. Um einen wirtschaftlichen Prozess zu gestalten und somit hohe FlĂ€chenge-schwindigkeiten zu erzielen, ist eine Steigerung der Laserausgangsleistung notwendig, um gerade bei Mate-rialien mit großer Deckharzschicht eine sichere Reinigung zu gewĂ€hrleisten. Einen weiteren Vorteil wĂŒrde die Homogenisierung des Strahlprofils mittels Faserkopplung mit sich bringen. Optimalerweise könnte ein rechteckiges Strahlprofil erzeugt werden, welches von Vorteil wĂ€re, um den PulsĂŒberlapp bei der Vorbe-handlung zu reduzieren und so eine weitere Steigerung der FlĂ€chengeschwindigkeit zu ermöglichen.

Übersicht

Fördersumme

457.869,00 €

Förderzeitraum

07.12.2020 - 07.11.2023

Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Schlagwörter