Chemiefrei sauber

Moderne Industrielaser können schweißen, schneiden und zudem für die automatisierte Reinigung von metalloberflächen, etwa für Umformwerkzeuge aus Metall, wirtschaftlich eingesetzt werden — bbr berichtet.

23. September 2008

Kohlefaserverbundwerkstoffe sind längst aus dem Schattendasein eines exotischen Materials herausgetreten. Nicht nur in der Luftfahrtindustrie, auch in der automobilen Kleinserienfertigung kommen CFK-Werkstoffe mittlerweile intensiv zum Einsatz. Hohe Betriebsfestigkeit — bei gleichzeitig geringem Gewicht — stellen die Basis für leichte und energiesparende Fahrzeuge und Flugzeuge dar. Dieser Werkstoff senkt über die Lebenszeit betrachtet den Verbrauch an fossilen Brennstoffen signifikant. Als nachhaltiger Beitrag zur Umweltentlastung bringt die Herstellung von CFK-Bauteilen im Vergleich zur Bearbeitung metallischer Bauteile nach wie vor große Herausforderungen mit sich. Insbesondere eine Automatisierung der vielseitigen Fertigungsprozessschritte ist derzeit nur bedingt möglich. Die Folge sind hohe Herstellkosten und begrenzte Anwendungsmöglichkeiten dieser innovativen Materialien. Allerdings gibt es bereits erfolgreiche Beispiele für den industriellen Einsatz, auch bei großflächigen Anwendungen wie Boeings Dream-Liner (787) und der neue A350XWB von Airbus. Beide Flugzeuge bestehen mittlerweile zu großen Teilen aus CFK. Imposant ist die Größe der benötigten Werkzeuge, mit denen die CFK-Bauteile hergestellt werden. So weist die Oberseite einer Tragfläche beim 787 ca. 120m2 auf. Bei der Produktion des CFKs unter Druck und Temperatur entstehen aus den auf der Formoberfläche applizierten Trennmitteln organische Ablagerungen. Diese Rückstände müssen nach wenigen Bauteilabformungen wieder vollständig entfernt werden. Bei den bislang nur im Anbauteilbereich zum Einsatz kommenden CFK-Materialen waren mechanische oder nasschemische Reinigungsprozesse für die Werkzeuge akzeptabel. In Zukunft werden sowohl in der Luftfahrt als auch in der Fahrzeugindustrie durch den vermehrten Einsatz dieser innovativen Hochtechnologie-Materialien adäquate Reinigungsmethoden zum Einsatz kommen.

Strahlend rein

Beim Laserstrahlverfahren ist es möglich, Trennmittelrückstände aus dem CFK-Produktionsprozess effizient, umweltschonend und strahlmittelfrei zu entfernen. Gleichzeitig wird durch die schonende Reinigung mit Clean-Lasersystemen eine Beschädigung des metallischen Werkzeuges ausgeschlossen. Somit ist auch nach mehreren Hundert Reinigungs- und Entformungszyklen eine Maßhaltigkeit der Form — und somit der Bauteile — gewährleistet. Durch die Verbindung der Lasersysteme mit kompakten, roboterführbaren Bearbeitungsoptiken über ein Lichtleitkabel sind eine einfache Handhabung der Laserstrahlung und eine Integration in den automatisierten Reinigungsprozess gewährleistet. Bereits mit einem CL 500 Lasersystem (500 Watt mittlere Laserleistung) lassen sich CFK-Formen mit einer Reinigungsrate von bis zu 18 m2 pro Stunde von Prozessrückständen befreien. Dabei sorgen eine geringe Energieaufnahme sowie die Medienfreiheit (ohne Strahlmittel und Chemie) für eine äußerst umweltfreundliche, präzise Reinigung der Bauteile. Selbst der manuelle Einsatz von Clean-Lasern ist möglich. Kompakte und ergonomische manuelle Handhabungsoptiken sorgen für eine effiziente, flexible Bauteil- und Formenreinigung. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist die direkte lokale Absaugung der Emissionen, die beim Lasersublimationsprozess entstehen. Durch geeignete Filteranlagen zugeführt, werden selbst die geringen Reststoffmengen, die beim Reinigen von Formen entstehen, umweltgerecht entsorgt und eine Migration (Verteilung) des Schmutzes in der Produktionsumgebung wirkungsvoll vermieden. Durch die geringen laufenden Kosten des Verfahrens (zwischen 3 und 8 EUR pro Stunde) ist dabei nicht nur eine nachhaltige ökologische Wirkung, sondern auch eine deutliche Kosteneinsparung erzielbar.

Wirkung ohne Angriff

Das Laserstrahlverfahren bietet aber noch weitere Einsatzmöglichkeiten in der CFK-Fertigung. Nicht nur die Reinigung der Formen, auch die Laserstrahl-Oberflächenbehandlung der Bauteile ist mit angepassten Lasersystemen möglich. Vor der weiteren Verarbeitung von CFK-Bauteilen, etwa für das Lackieren oder das Verkleben von CFK-Oberflächen, ist gewöhnlich eine Reinigung erforderlich. Mechanisches Anschleifen mittels Sandpapier oder ein mechanisches Strahlen der Oberflächen stellen den Stand der Technik dar. Neuere und auf die Oberflächeneigenschaften des Materials angepasste Reinigungslaser können bereits in naher Zukunft eine Lösung bereitstellen. Durch die Behandlung mit fokussiertem Laserlicht lassen sich auch CFK-Oberflächen von feinen Trennmittelrückständen befreien und gleichzeitig die Oberfläche der schützenden Harzschicht ohne Beschädigung der eingebetteten Faserstruktur aktivieren. Somit lassen sich mit moderner Lasertechnik neben der Reinigung von Werkzeugen auch die Aktivierung und Oberflächenvorbehandlung von Bauteilen vor dem Kleben und Lackieren realisieren.

Erschienen in Ausgabe: 09/2008