carboDRILL XL - Entwicklung eines Bearbeitungskopfes und zugehöriger Prozessführung für das effiziente und automatisierte Laserbohren von Hochleistungsfaserverbundstrukturen
Laufzeit: 
2. August 2018 bis 1. Februar 2021
Gefördert von: 
NBank

 

Der stark zunehmende Einsatz von Faserverbundkunststoffen (FVK) führt vermehrt zu einem Umdenken in der Auslegung trennender Bearbeitungsschritte. Bedingt durch ihr Wirkprinzip besitzen konventionelle Verfahren wie das Fräsen oder das Wasserstrahlschneiden u.a. den Nachteil, dass die Werkzeuge einem hohen Verschleiß unterliegen, bzw. die Handhabung zugehöriger Wasserkreisläufe problematisch ist. Insbesondere das Bohren von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) ist ein Anwendungsfeld mit äußerst großem Marktpotential, gerade im Luftfahrtbereich. Hier werden vor allem für Niet- aber auch für Schraubverbindungen eine hohe Anzahl an Bohrungen mit hohen Qualitätsanforderungen bei gleichzeitig geringen Zykluszeiten benötigt. In Anbetracht der Nachteile mechanischer Verfahren existiert ein großer Bedarf an alternativen Bohrprozessen im Bereich von in großer Stückzahl produzierten Kleinbauteilen und gerade auch bei der Montage von Großstrukturen, z.B. Rumpfsektionen. Eine vielversprechende Alternative hierzu stellt die Bearbeitung mittels Laserstrahlung dar. Bedingt durch das Wirkprinzip unterliegt die Laserbearbeitung keinem materialbedingten Werkzeugverschleiß, so dass eine konstante Bearbeitungsqualität ohne Werkzeugwechsel grundsätzlich gewährleistet ist. Das Verfahren arbeitet kraftfrei und lässt sich in bestehende Fertigungslinien integrieren.

Um die Vorteile des Werkzeugs Laser für den anspruchsvollen CFK-Bohrprozess nutzbar zu machen bedarf es jedoch gezielter Strahlführungs- und Strahlformungskonzepte, die es gilt in geeignete Hardware umzusetzen. Zentrale Herausforderung hierbei ist die definierte Führung des Laserstrahls entlang einer Kreisbahn bei gleichzeitig variablem Anstellwinkel, so dass eine Trepanierbewegung ausgeführt wird. Für den in diesem Projekt adressierten industriellen Einsatz sind Laserausgangsleistungen im Kilowatt-Bereich erforderlich. Gleichzeitig muss der Laserstrahl mit Geschwindigkeiten von mehreren Metern pro Sekunde abgelenkt werden. Nur so lassen sich die hohen Anforderungen an die Bohrlochgüten der Luftfahrtindustrie erfüllen. Systeme mit derart hohen Anforderungen sind kommerziell nicht verfügbar.

Wesentliche Hinderungsgründe des Einsatzes am Markt existierender Trepanieroptiken sind die stark limitierten, applizierbaren Laserleistungen sowie die realisierbaren Bohrlochdurchmesser, die typischerweise im Bereich kleiner 1 mm angesiedelt sind und damit deutlich unterhalb eines typischen Nietlochdurchmessers von ~4,8 mm liegen. Ziel des Projektes ist daher die Entwicklung und Fertigung eines für den industriellen Einsatz nutzbaren Laserbearbeitungskopfes für das qualitativ hochwertige und präzise Bohren von CFK-Strukturen in der Luftfahrt mit zugehöriger Prozessführung. Dieser Bearbeitungskopf umfasst sowohl die neu zu entwickelnde Trepaniereinheit zur Erzeugung der Ablenkbewegung des Laserstrahls als auch die Integration an den Prozess angepasster inline-Messtechnik zur Bestimmung des Tiefenabtrages während des Bohrvorganges.

Das Projekt wird in Kooperation mit der LASER on demand GmbH durchgeführt.  

Gefördert wird das Projekt von der Investitions- und Förderbank Niedersachsen – NBank.