Laserdurchstrahlschweißen bei Verwendung von CFKDie Erfindung betrifft das Laserdurchstrahlschweißen bei dem einer der Fügepartner ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) ist. Dabei kann dieser sowohl mit glasfaserverstärktem Kunststoff als auch mit unverstärktem Kunststoff verschweißt werden. Das Laserdurchstrahlschweißen bietet im Vergleich zu bisher verwendeten Methoden wesentliche Vorteile in Hinblick auf Flexibilität und Prozessgeschwindigkeit. Durch Ausnutzung der Absorption an den Kohlenstofffasern kann darüber hinaus auf die Zugabe von Zusatzwerkstoffen verzichtet werden. ProblemstellungKohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe – insbesondere solche mit thermoplastischer Matrix – erlangen immer größere Bedeutung, etwa im Flugzeugbau oder der Automobilbranche. Gegenwärtig stehen verschiedene Techniken zum Fügen von CFK zur Auswahl. Darunter das Verkleben, Nieten, Induktionsschweißen, Widerstandsschweißen und Ultraschallschweißen. Alle diese Verfahren haben jedoch gewisse Limitierungen. Klebeverbindungen können beispielsweise nicht zerstörungsfrei auf Stabilität geprüft werden und müssen daher oftmals zusätzlich genietet oder geschraubt werden. Darüber hinaus eignen sie sich nicht für Materialien mit thermoplastischer Matrix. Das Induktionsschweißen setzt eine Leitfähigkeit des zu verschweißenden Materials voraus und bei dem Widerstandsschweißen verbleibt die erforderliche Schweißhilfe im Material. Die Notwendigkeit weitere Materialien zum Absorbieren der Laserstrahlung zwischen die Fügepartner zu bringen ist auch bei dem Laserdurchstrahlschweißen ein häufiges Problem. Bei dem Schweißen von CFK kommt als zusätzliche Schwierigkeit die Ausrichtung der Fasern im Material hinzu, die für eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit sorgt und somit starken Einfluss auf die Form der Fügenähte hat. Unsere Lösung
Schema des Laserdurchstrahlschweißens. (Quelle: Peter Jäschke, LZH) Eine flexible Alternative zu den oben genannten Verfahren ist am Laser Zentrum Hannover entwickelt worden. Laserdurchstrahlschweißen unter Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffen ist ein effizientes und flexibles Verfahren. Dabei wird ein zumindest teilweise transparenter Fügepartner mit einem absorbierenden CFK Fügepartner verschweißt. Das Laserlicht durchstrahlt den transparenten Fügepartner und wird an der Oberfläche des zweiten Fügepartners absorbiert. Durch Wärmeleitung erhitzen sich daraufhin beide Materialien. VorteileDas Laserdurchstrahlschweißen bietet unter anderem die folgenden Vorteile:
AnwendungsbereicheDas neue Verfahren kann in vielen Anwendungsbereichen genutzt werden. Dabei dürfte insbesondere die hohe Flexibilität in der Geometrie und der Verzicht auf Zusatzwerkstoffe für folgende Branchen interessant sein:
EntwicklungsstandDas Laserdurchstrahlschweißen von CFK wurde am LZH entwickelt und getestet. Es findet dort auch bereits Verwendung. Das Laserdurchstrahlschweißen wurde beispielsweise an Hand von sogenannten Aircraft-Pins aus PA6.6 evaluiert. Die lasergeschweißte Verbindung dieser Pins mit kohlenstofffaserverstärktem Material fiel deutlich belastbarer aus als die bisher genutzte Klebeverbindung. PatentsituationUS Patent erteilt: US8591693B2 Weiterführende InformationenAdvanced laser welding of high-performance thermoplastic composites Pyrometrische Temperaturüberwachung für flexible scannerbasierte Laserdurchstrahlschweißprozesse Laser transmission welding of high-performance polymers and reinforced composites - a fundamental study KontaktDr. Ireneusz Iwanowski |
