Ausgangssituation

Die Fertigung von CFK-Bauteilen beinhaltet das Schneiden von Koh­lenstoff-Faser-Gelege und CFK-Laminaten. Gängige Verfahren sind Ultraschall-Schneiden von Faser-Gelegen sowie Fräsen und Wasser­strahlschneiden von Laminaten. Aufgrund der begrenzten Schnittge­schwindigkeit und des hohen Ver­schleißes verursachen diese Verfahren in der Groß­serien­fertigung von CFK-Fahrzeug­karos­serien lange Takt­zeiten und hohe Kosten.

Die derzeit verbreiteten Niet- und Schraubverbindungen beim Fügen von CFK gehen wegen der Bohrung mit einer Schwächung der Grund­struktur einher. Klebeverbindungen bedürfen dagegen häufig einer lan­gen Aushärtung.

Zielsetzung

Das Ziel des öffentlich geförderten Forschungsprojekts ELite ist, das Trennen und Fügen von CFK im Vergleich mit den konventionellen Bearbeitungsverfahren wirtschaftli­cher und ressourceneffizienter zu gestalten.

Das iwb erforscht hierzu ein laser­basiertes Trenn- und Abtrags­verfahren, welches sowohl CFK-Werkstoffe konfektioniert als auch fertige CFK-Bauteile bearbeitet. Dabei stehen die Qualität des Werk­stoffs und eine uneingeschränkte Funktionalität des Bauteils im Vor­dergrund.

Parallel untersucht das Projekt als Alternative zum Kleben den Einsatz von Nanofolien zum Fügen von CFK-CFK- oder CFK-Metall-Kombinationen (vgl. Abb. 1). Die Nanofolie dient dabei als flächige Wärme­quelle und besteht aus Elementen, die durch eine externe Zündenergie beginnen, exotherm zu reagieren. Die Wärme erzeugt eine formschlüssige Verbindung durch Eindrücken eines metallischen Gitters in einen Thermoplast auf der CFK-Seite und eine Lötverbindung auf der Metallseite. Die Prozessdauer liegt bei einigen Millisekunden.

Abb. 1: Gezündete Nanofolie (Quelle: innojoin)

 

Vorgehen

Im Teilprojekt Trennen ist die Qualifizierung einer laserbasierten Technik zum Trennen durch Abtragen von CFK im Fokus. Dabei ist die vorrangige Zielgröße die Schnittqualität (vgl. Abb. 2). Geeignete Prüfverfahren qualifizieren die unterschiedlichen Merkmale wie Festigkeit, Delamination und Korrosion und identifizieren den Einfluss der unterschiedlichen Prozessparameter. Im Hinblick auf die Arbeitssicherheit erfolgen eine Analyse der entstehenden Gase im Abtragungsprozess und die Definition geeigneter Schutz­maßnahmen.

Das zweite Teilprojekt beschäftigt sich mit hybriden Verbindungen aus CFK und Metall mittels reaktiver Nanofolien. Zunächst entsteht ein Fügekonzept, welches sich durch die Herstellung von Proben einer Validierung unterzieht.

Nach erfolgreicher Probenherstellung mit ebener Fügefläche bildet die Übertragung der Erkenntnisse auf gekrümmte Flächen den nächsten Schritt. Mit dem Ziel, die Ressourcen­effizienz der neuen Verfahren zu bewerten, stellt der letzte Projekt­abschnitt den direkten Vergleich zu den konventionellen Verfahren an. Die Fertigung von Referenzbauteilen zeigt hierbei den Energieverbrauch der Verfahren auf. Schließlich rundet die Ent­wicklung eines Recyling­kon­zep­tes zur Separation der CFK-Metall-Verbindungen dieses Aufgabenpaket ab.

Abb. 2: Laserschnitt eines Kohlenstoff-Faser-Geleges

Projektkonsortium

Neben dem iwb wirken noch folgende Industrie- und Forschungspartner an diesem Projekt mit:

 

 

Abb. 3: Projektkonsortium ELite

 

Danksagung

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept "Forschung für die Produktion von morgen" (Förderkennzeichen 02PJ2090-2095) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor. 

        

 

Kontaktdaten des Projektkoordinators

Dr.-Ing. Erhard Brandl, IWE

EADS Innovation Works

Metallic Technologies & Surface Engineering

81663 Munich (Germany)

Telefon: + 49 89 607 22107

Email: erhard.brandl@eads.net