Projekt 36019/01

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

Projektträger

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

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Faserverbundmaterialien auf Kunststoffbasis (Faserverstärkte Kunststoffe (FVK)) finden aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen mechanischen Belastbarkeit in vielfältigen 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, müssen Fügeflä-chen sowie die gesamte Außenfläche vor dem Aufbringen der Lackierung, die das Rotorblatt vor Umweltein-flüssen wie Sonneneinstrahlung durch UV-Licht, Erosion und vor Salzwasser schützt, vorbehandelt werden. Zur mechanischen Reinigung werden überwiegend 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 gesundheitsschädlicher sowie umweltbelastender und explosiver Stäube und / oder nicht recyclingfähiger Strahlmittelrückstände. Beide Technologien können zudem bei unsachgemäßer Anwendung zu einer Schädigung der Fasern und einer Reduktion der mechani-schen Beständigkeit führen.
Eine vielversprechende Alternative stellt die Oberflächenvorbereitung mittels Laserstrahlung mit einem in der Polymermatrix hohen Absorptionsverhalten dar. Ein möglicher Wellenlängenbereich, der eine Absorption von nahezu 100 % in Epoxidharzen zeigt, liegt bei etwa ~3 µm. Ein laserbasiertes Verfahren bietet die Mög-lichkeit einer hohen Effizienz bei gleichzeitig hoher Prozessstabilität. Allerdings mangelt es derzeit an geeig-neten fasergekoppelten Lasersystemen, die eine effektive und effiziente Oberflächenvorbereitung von FVK-Bauteilen auf einem industrierelevanten Leistungsniveau ermöglichen.
Ziel des DBU-Projekts 3KLANK war die Bereitstellung eines robusten, effizienten und flexiblen Vorbehand-lungsverfahrens für Faserverbundmaterialien, welches im industriellen Umfeld einsetzbar ist. Mittels eines vom Fraunhofer ILT und der cleanLASER GmbH neuentwickelten frequenzkonvertierten Lasersystems mit einer Emissionswellenlänge von 3 µm ist eine Reinigung der Faserverbundwerkstoffoberfläche durch einen schonenden und gezielten Laserabtrag der Kunststoffmatrix möglich, ohne die für die Materialfestigkeit wichtigen Fasern zu schädigen. Diese Strahlqualle stellt die Basis für die Entwicklung und Optimierung neuer Prozesse zur Laserbehandlung von Oberflächen 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 gegenüber 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 durchgeführt. Die Behandlungseffekte werden analysiert und Rahmenbedingungen für die Auslegung des Funktionsdemonstrators sowie weitere Materialbearbeitungsversuche abgeleitet. Für die Faserstrahlführung werden im Labor Koppelversuche durchgeführt und Lichtwellenleiter für die Anwendung charakterisiert.
- Verschiedene FVK-Materialien werden für die Materialbearbeitungsversuche ausgewählt und be-schafft. Anhand der chemischen (insbesondere Trennmittelkontamination) und topographischen Ausgangszustände und der Vorversuche werden Parameterfelder für die Versuchsreihen entwickelt. Die behandelten Oberflächen werden sowohl in Hinblick auf ihre Lackhaftfestigkeit (Gitterschnittprü-fungen im trockenen und gealterten Zustand) als auch auf ihre Klebfestigkeit (Zug-Scher-Prüfungen im trockenen Zustand und nach Kataplasma-Alterung) geprüft. An ausgewählten Proben wird zudem eine Oberflächenanalytik durchgeführt.
- Auf Basis des bestehenden Laboraufbaus werden vom Fraunhofer ILT Designvorgaben und Spezifi-kationen für die Konstruktion eines industrietauglichen Funktionsdemonstrators eines Lasersystems zur FVK-Vorbehandlung bei einer Wellenlänge von 3 µm erarbeitet und an cleanLASER übergeben. Produktspezifikationen und Lastenhefte für die Beschaffung von optischen Komponenten werden abgeleitet und diese werden beschafft.
- Die Konstruktion erfolgt basierend auf den Vorgaben. Eine Bearbeitungsoptik wird ausgelegt und Linsensysteme für die Strahlformung berechnet. Die Basisstrahlquelle wird aufgebaut, für die Fre-quenzkonversion optimiert und charakterisiert. Das Gehäuse für Basisstrahlquelle und Frequenzkon-verter wird aufgebaut und mit den optischen und opto-mechanischen Komponenten bestückt.
- Der Funktionsdemonstrator wird aufgebaut, getestet und charakterisiert. Unterschiedliche Lichtwel-lenleiter werden erprobt.
- Für 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 schädigungsfreies Reinigen von Faserverbund-werkstoffen mit der Wellenlänge von 3 µm möglich ist und gute Ergebnisse insbesondere für 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 führt erst an der ersten Faserlage zur Ablation des darüber 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.
Für eine spätere 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 unbeschädigt bleibt. Vielmehr konnte mittels EDX-Messungen nachgewiesen werden, dass die die Fasern umgebende und für eine anschließende Anbindung des Epoxid-basierten Klebstoffs wichtige Schlichte nach dem Laserprozess um die Faser erhalten geblieben ist. Die Analyse der Klebversuche bestä-tigen eine gute Haftung auf den freigelegten Fasern.
Durch eine angepasste Optik konnten höhere Laserintensitäten auf der Oberfläche erzeugt werden, die zur direkten Ablation in der Matrixschicht führten. Eine deutliche Steigerung der Zugscherfestigkeit, für die mit der erhöhten Laserflächenleistung vorbehandelten Proben sowohl im gealterten als auch im ungealterten Zustand ist zu erkennen. Die Festigkeiten liegen auf dem Niveau der korundgestrahlten Proben oder sogar darüber.

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

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



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

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 µm Strahlquelle mit 18 W Ausgangsleistung im industrie-tauglichen Gehäuse zur Verfügung. 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 für einfache Pro-bengeometrien einer Größe bis zu 300 x 300 mm² zur Verfügung.
Die Faserkopplung der 3 µm 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 für einen wirtschaftlichen Einsatz des 3 µm-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 durchgeführten Versuchsreihen haben gezeigt, dass der 3 µm-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 führt. Dies hat zur Folge, dass ab einer bestimmten materialabhängigen Schwellenleistung eine Fa-serfreilegung und Reinigung der Oberfläche stattfindet. Unterhalb dieser Leistung kann Inkubationsverhalten der EP-Matrix beobachtet werden, allerdings keine Reinigung der Oberfläche. Bei erhöhter Laserflächenleis-tung können Bereiche mit hoher Deckharzschicht ebenfalls abgetragen werden. In Bereichen mit geringer Deckharzschicht resultiert diese Behandlung weiter in einem Freilegen der oberflächennahen Faser. Die Fa-sern werden durch das Freilegen nicht geschädigt, vielmehr kann sogar der Verbleib, der für die Klebstoff-anbindung wichtigen Schlichte, auf den Fasern nach einer Laserbehandlung nachgewiesen werden. Mit den Laserparametern mit gesteigerter Flächenleistung werden vergleichbare oder sogar höhere Klebfestigkeiten in Zugscher- und Mode-I-Belastung als für 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 Oberfläche.
Gerade für die Klebvorbehandlung bietet die 3 µm-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 Verständnis der Strahlungs-Materialwechselwirkung konnte im Rahmen des Projektes grundlegend er-weitert werden. Die Ergebnisse aus den Materialcharakterisierungen sind richtungsweisend für die weitere Entwicklung der Technologie. Um einen wirtschaftlichen Prozess zu gestalten und somit hohe Flächenge-schwindigkeiten zu erzielen, ist eine Steigerung der Laserausgangsleistung notwendig, um gerade bei Mate-rialien mit großer Deckharzschicht eine sichere Reinigung zu gewährleisten. Einen weiteren Vorteil würde die Homogenisierung des Strahlprofils mittels Faserkopplung mit sich bringen. Optimalerweise könnte ein rechteckiges Strahlprofil erzeugt werden, welches von Vorteil wäre, um den Pulsüberlapp bei der Vorbe-handlung zu reduzieren und so eine weitere Steigerung der Flächengeschwindigkeit zu ermöglichen.