LZH optimiert laserbasierte CFK-Nachbearbeitung für die Luftfahrtindustrie
24.11.2016

Reparaturvorbereitung eines CFK-Flugzeugteils durch lagenweises Laserabtragen der beschädigten Werkstoffschichten. (Foto: LZH)

Um Flugzeugbauteile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) in Zukunft effizienter nachbearbeiten zu können, hat das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) gemeinsam mit der INVENT GmbH, OWITA GmbH und Precitec Optronik GmbH das Verbundprojekt ReWork gestartet. Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines prozesssicheren Verfahrens für dünnwandige und komplexe CFK-Bauteile.

Viele Flugzeugbauteile bestehen heute aus dem Leichtbauwerkstoff CFK. Die Vorteile dieses Materials sind das geringe Gewicht und die hohe Stabilität. Allerdings ist die Bearbeitung dieses Werkstoffs nach wie vor aufwendig. Um fertigungs- und betriebsbedingte Fehlstellen schneller und kostengünstiger beseitigen zu können, benötigt die Luftfahrtindustrie deshalb eine prozesssichere Lösung.

Eliminierung von Fehlstellen durch passgenaue Patches
Laserbasierte Verfahren bieten vielversprechende Ansätze: Kohlenstofffasergewebe lässt sich so berührungslos, kraft- und verschleißfrei bearbeiten. Zudem ermöglicht es die hohe geometrische Auflösung des Lasers, die Oberfläche präzise zu schäften und passgenaue Ersatzlagen einzubringen. Bei dieser sogenannten Patch-Reparatur werden die Fehlstellen zunächst lagenweise per Laser entfernt und anschließend mittels Patch lagengetreu ersetzt.

Eine innovative Systemtechnik, bestehend aus Laser, Scanner, Kurzkohärenz-Interferometriesystem sowie einer Steuerungssoftware, soll je nach Beschaffenheit des CFK-Bauteils individuelle Prozessparameter ermitteln. Für die nötige Präzision beim Lagenabtrag sorgt das Kurzkohärenz-Interferometriesystem, das die Abtragstiefe örtlich hoch aufgelöst misst. Deformationen der Oberfläche durch Aufdickungen wie sie bei mechanischen Bearbeitungsverfahren häufig auftreten, lassen sich so vermeiden.

Flexible Laserparameter für variable Bauteilgeometrien
Neben der passenden Systemtechnik steht die Weiterentwicklung des Laserprozesses im Mittelpunkt der Arbeiten der Gruppe Verbundwerkstoffe in der Abteilung Produktions- und Systemtechnik. Eine Herausforderung bei der laserbasierten Oberflächennachbearbeitung von Flugzeugteilen aus CFK ist, dass diese oftmals dünnwandig und komplex geformt sind und deshalb individuell angepasste Laserparameter erfordern. Zudem weist CFK typischerweise eine räumlich inhomogene Wärmeleitung auf. Um trotzdem eine konstante Oberflächenqualität zu erreichen, erarbeiten die LZH-Experten eine ausgeklügelte Prozessstrategie – auch unter Berücksichtigung der geometrischen Skalierbarkeit der Prozessparameter. Die neue Technologie soll sowohl auf 2D- als auch auf 3D-Bauteile anwendbar und idealweise automatisierbar sein.

Gefördert wird das Projekt „Prozesssicheres Re-Work an dünnwandigen, gekrümmten CFK-Oberflächen mittels photonischer Systeme und piezo-gestützter Qualitätskontrolle“ (ReWork) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) für eine Laufzeit von drei Jahren.

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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.