Fehlstellen in faserverstärkten Kunststoffen effizienter reparieren
09.01.2017

Gestufte und kontinuierliche Schäftungen als Reparaturvorbereitung. (Schema: LZH)

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) kommen in der Luftfahrt- und Automobilindustrie vielfach zum Einsatz. Allerdings ist die Reparatur von Bauteilen aus diesen Verbundwerkstoffen häufig weniger rentabel als ein Austausch. Um FVK-Bauteile langlebiger und ökoeffizienter zu machen, wollen das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) und die Apodius GmbH nun ein neuartiges Messgerät zur Faserlagenorientierung mit einem innovativen laserbasierten Reparaturprozess kombinieren.

Fehlstellen in FVK-Bauteilen können fertigungs- oder auch betriebsbedingt sein. Wie rentabel eine Reparatur ist, hängt dabei von der Geometrie der Fehlstelle, den Werkzeugen und Reparaturverfahren sowie der Möglichkeit zur Automatisierung ab. Mittels Laserschäften und anschließender Patch-Reparatur lassen sich FVK-Bauteile faserverbundgerecht instandsetzen. Dabei wird das beschädigte Material lagenweise entweder kontinuierlich oder stufenförmig abgetragen. Passgenaue Ersatzstücke, sogenannte Patches, verschließen danach die Fehlstelle. Mit Harz lassen sich diese neu eingebrachten Faserlagen anschließend infiltrieren und konsolidieren. Auf diese Weise erreichen die Reparaturen hohe Festigkeiten.

Optisches System zur Detektion der Faserlagenorientierung
Die Herausforderung beim Laserschäften ist die präzise und rückstandslose Entfernung der beschädigten Faserlagen. Erschwert wird dies durch die variierende Dicke der Verbundschichten, die sowohl global, das heißt im gesamten Bauteil, als auch lokal, also örtlich beschränkt, auftreten kann. Abhilfe soll ein optisches System schaffen, das die Faserorientierung des freigelegten Materials erkennt. Als Grundlage dient eine bestehende Systemtechnik der Apodius GmbH, die bereits bei der Herstellung trockener Faserhalbzeuge zum Einsatz kommt. Nun werden diese Faserorientierungsmessgeräte weiterentwickelt, um auch variierende Schichtdicken in Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen mit einer Kunststoffmatrix detektieren zu können.

Echtzeitauswertung ermöglicht Regelung des Laserprozesses
In Kombination mit dem scannerbasierten Laserschäftprozess des LZH ermöglicht das neue Faserorientierungsmessgerät eine höhere geometrische Auflösung als bei mechanischen Abtragverfahren. „Aufgrund der Schnelligkeit des Bilderkennungsverfahrens können die Messdaten in Echtzeit ausgewertet werden. Damit ist die Grundvoraussetzung für eine Regelung des Schäftprozesses erfüllt. Somit rückt das Ziel, diesen Prozess zu automatisieren, deutlich näher“, erklärt Dr. Peter Jäschke, Leiter der Gruppe Verbundwerkstoffe am LZH. Ein weiterer Vorteil des Lasers gegenüber konventionellen Verfahren ist die kraft-, berührungs- und verschleißfreie Bearbeitung.

Langlebigere Bauteile für eine bessere Ökobilanz
Fehlstellen in FVK-Bauteilen sollen in Zukunft kosteneffizienter zu reparieren sein – so das Ziel der Projektpartner LZH und Apodius GmbH. Dadurch erübrigt sich in vielen Fällen der Austausch des Bauteils. „Für die Hersteller bedeutet dies sowohl eine Zeit- als auch Kostenersparnis. Und je länger die Lebensdauer der Bauteile ist, desto besser die Ökobilanz und Ressourceneffizienz“, sagt Dr. Dietmar Kracht, geschäftsführender Vorstand des LZH.

Das Projekt „Optische Messung der Faserlagenorientierung zur Regelung einer präzisen, laserbasierten FVK-Reparatur“ (ForLase) wird im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) für eine Laufzeit von zwei Jahren gefördert.

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Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

Als unabhängiges gemeinnütziges Forschungsinstitut steht das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) für innovative Forschung, Entwicklung und Beratung. Das durch das Niedersächsische Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr geförderte LZH widmet sich der selbstlosen Förderung der angewandten Forschung auf dem Gebiet der Photonik und Lasertechnologie. 1986 gegründet arbeiten inzwischen über 170 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am LZH.

Der Fokus des LZH liegt auf den Bereichen Optische Komponenten und Systeme, Optische Produktionstechnologien und Biomedizinische Photonik. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Naturwissenschaftlern und Maschinenbauern ermöglicht innovative Ansätze für Herausforderungen verschiedenster Bereiche: von der Komponentenentwicklung für spezifische Lasersysteme bis hin zu Prozessentwicklungen für die unterschiedlichsten Laseranwendungen, zum Beispiel für die Medizintechnik oder den Leichtbau im Automobilsektor. 17 Ausgründungen sind bis heute aus dem LZH hervorgegangen. Das LZH schafft so einen starken Transfer zwischen grundlagenorientierter Wissenschaft, anwendungsnaher Forschung und Industrie.