Mit Licht leicht gemacht

Die Verarbeitung der Ausgangsmaterialien galt bisher jedoch als aufwändig und teuer. Auf der JEC Composites Show 2010 vom 13.-15. April in Paris zeigen Fraunhofer-Forscher, in Halle 1 Stand T18 wie sich mit Laserlicht faserverstärkte Kunststoffe schnell, sauber, zuverlässig und automatisiert herstellen lassen.

Je leichter desto besser. Mit einem Mountainbike, das wenig wiegt, lassen sich Berge einfacher bezwingen. Ein Auto, das weniger Gewicht auf die Achsen bringt, spart Sprit. Auch bei Flugzeugen, Satelliten und Windrädern feilschen die Konstrukteure um jedes Gramm. Faserverstärkte Kunststoffe sind ideal für den Einsatz in der Sportgeräte- und Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt: Sie sind fünfzig bis siebzig Prozent leichter als Stahl, fünfzehn bis zwanzig Prozent leichter als Aluminium, ihre Stabilität und Bruchfestigkeit sind hoch. Ihre Verarbeitung gilt bisher jedoch als kompliziert und aufwändig: Die Hersteller von Bootsrümpfen, Flugzeugteilen oder Rotorblättern müssen mit aufwändigen Formwerkzeugen arbeiten, die mit Glas- oder Kohlefasermatten ausgelegt werden.

Im zweiten Prozessschritt saugt eine Pumpe die Luft ab, bevor flüssiges Harz die Matten tränkt – das Vakuum verhindert, dass sich an den Fasern Luftbläschen sammeln, die später die Stabilität beeinträchtigen. Zum Aushärten benötigt man riesige Öfen. Am Ende müssen die Bauteile auch noch verklebt werden. Doch künftig wird dies einfacher: Auf der JEC Composites Show 2010 in Paris zeigen Fraunhofer-Forscher, wie sich Faserverbundwerkstoffe mit Laserlicht herstellen und verbinden lassen – ohne dass mit Matten und Harz hantiert werden muss.

Bauteile aus faserverstärkten Bändern

Um faserverstärkte Kunststoffe vollautomatisch herstellen zu können, haben Ingenieure und Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT ein neues Verfahren entwickelt. Die Zutaten für das »Tape-Legen« kommen von der Rolle: Die Kohlefasern sind in kilometerlange Kunststoffbänder aus aufschmelzbarem Thermoplast integriert. Diese Bänder sind trotz ihres geringen Gewichts überdurchschnittlich belastbar – die Ingenieure messen und bewerten hier die Schlag-, Zug- und Rissfestigkeiten. Um aus den Tapes stabile Bauteile zu fertigen, werden mehrere Bandlagen aufeinander gestapelt, kurz vor dem Ablegen mit dem Laser angeschmolzen und dann zu einer kompakten Struktur zusammengepresst. Auf diese Weise verschmelzen die Bänder miteinander und kühlen, weil der Laser die Energie zielgerichtet und wohldosiert an das Material abgibt, auch schnell wieder aus. Energie- und Zeitaufwand wird so minimiert. Verglichen mit bisherigen Fertigungsverfahren – beispielsweise dem Fügen von Bändern mit Heißluft – ist die Qualität sogar besser. Die Nachfrage der Industrie nach dem neuen Verfahren ist daher schon jetzt, noch während der Prototypenphase, hoch.

Laserlicht schafft Verbindungen

Mit Laserstrahlen können die Ingenieure sogar Bauteile zusammenkleben: Auf der JEC in Paris präsentieren die Fraunhofer-Forscher eine neue Fügetechnik für glas- oder kohlefaserverstärkte Kunststoffe. »Alles was wir dazu brauchen, ist ein Laser, der infrarotes Licht aussendet«, erklärt Wolfgang Knapp vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnologie ILT. »Das infrarote Laserlicht schmilzt die Oberfläche der Kunststoffteile auf. Wenn man sie zusammenpresst, solange sie noch flüssig sind und sie dann aushärten lässt, entsteht eine äußerst stabile Verbindung.«

Selbst kompliziert geformte und sperrige Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff lassen sich so stabil verschmelzen, dass sie den hohen Anforderungen genügen, die Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie stellen. »Hier muss das Material enormen Beschleunigungen, Vibrationen und Temperaturdifferenzen standhalten, dabei wird 200prozentige Sicherheit verlangt«, erklärt Knapp. Zusammen mit seinen Kollegen hat er den Prozess des Laserfügens optimiert: »Das Know-how steckt in der Prozesssteuerung: in der Einstellung des Abstands von Laserkopf und Oberfläche, in der Zeit, die der Laserstrahl an einer Stelle verweilt, in der Kalibrierung des Drucks, mit dem die Oberflächen aufeinandergedrückt werden.« Der Charme der Technik liegt in ihrer Vielseitigkeit: Mit dem Infrarotlaser lassen sich beliebige Bauteile aus Faserverbundwerkstoff zusammenschweißen – Rumpfteile für Flugzeuge, tragende Strukturen für Pkws, Teile von Bootsrümpfen, Raketentanks.

Materialien für den Extremfall

Die Möglichkeiten, Laser in der Herstellung und Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen einzusetzen, sind schier unbegrenzt: »Die neuen Fügetechniken eignen sich für alle thermoplastischen Materialien, die starken Beanspruchungen ausgesetzt sind.«, resümiert Knapp, der den Fraunhofer-Gemeinschaftsstand koordiniert. »Weil Faserverbundwerkstoffe nicht nur stabil sind, sondern auch leicht, sparen sie Energie bei jeder Art von Beschleunigung – egal ob zu Land, zu Wasser, in der Luft oder im Weltraum.«