Mobile Excimer-Laser ermöglichen die Reinigung von CFK durch Roboter

In ihren Worten

Kompakte Excimer-Laser eröffnen neue Möglichkeiten für die Behandlung von 3D-CFK-Teilen, auch durch Roboteranwendungen.“

—Dr. Thomas Lukasczyk, Fraunhofer IFAM

Die Herausforderung

Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind Verbundwerkstoffe, die eine einzigartige und höchst wünschenswerte Kombination aus physikalischer Festigkeit und geringem Gewicht bieten. Dies macht sie besonders nützlich beim Bau von Flugzeugen. Ein wichtiger Produktionsschritt bei der Herstellung von Flugzeugen auf CFK-Basis ist das Aufsprühen von Schutzlacken auf die Außenflächen von Baugruppen wie Tragflächen und Rumpf. Die chemischen Trennmittel, die verwendet werden, um die Trennung der einzelnen CFK-Teile von den Formen, in denen sie ursprünglich geformt wurden, zu erleichtern, hinterlassen jedoch einen Oberflächenrückstand, der die Haftung einer anschließend aufgebrachten Beschichtung oder eines Klebematerials beeinträchtigen kann. Stand der Technik ist das manuelle Schleifen in Kombination mit der Lösemittelreinigung, die eine arbeiterabhängige Reproduzierbarkeit aufweist. Für die Automatisierung wurden verschiedene Methoden zur Entfernung dieser Oberflächenverschmutzungen untersucht, darunter Korundstrahlen und mehrere laserbasierte Techniken. Als vielversprechendes Werkzeug für diese Aufgabe hat sich der Excimer-Laser erwiesen, da er die beste verfügbare Kombination aus Prozessgeschwindigkeit und berührungsloser Oberflächenbehandlung bietet und dabei eine Beschädigung der CFK-Fasern vermeidet. Die meisten Excimer-Laser sind jedoch physisch groß und schwer, was bedeutet, dass sie nicht an einem Roboterarm montiert und automatisch über großflächige Strukturen bewegt werden können. Vielmehr müssen komplexe Strahlzuführungsoptiken verwendet werden, um den Strahl auf die Arbeitsfläche zu bringen. Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen arbeitet an einer vereinfachten Lösung auf Excimer-Laser-Basis, die sich für die Roboterautomatisierung eignet.

Die Lösung

Das Fraunhofer IFAM verwendet einen Excimer-Laser Coherent ExciStar 1000, weil er eine einzigartige Kombination von Ausgangseigenschaften in einem physikalisch kompakten (650 x 300 x 400 mm) und relativ leichten (66 kg) Gehäuse bietet. Auf diese Weise kann der Laser am Ende eines Roboterarms montiert und dann schnell über die Oberfläche des zu bearbeitenden Teils bewegt werden, wobei er bei Bedarf vielen 3D-Teilkonturen folgt. Für diese Konfiguration ist lediglich eine einfache und gerade ausgerichtete Optik erforderlich.

Das Ergebnis

Die hohe Wiederholrate (1000 Hz) und Pulsenergie (10 mJ) des ExciStar ermöglicht eine schnelle Bearbeitung und kontinuierliche Bewegung des Laserstrahls über die Werkstückoberfläche. Typischerweise wird jeder Punkt der CFK-Struktur zwischen zwei bis 10 Laserpulsen ausgesetzt, wodurch Oberflächenkontaminationen vollständig entfernt werden. Mit diesem Verfahren sind Verarbeitungsgeschwindigkeiten von bis zu 10 m²/h erreichbar. Derzeit werden der Laserprozess und das Setup an die Roboterautomatisierung angepasst, wobei die Proben vom Roboter bewegt werden, während der nächste Schritt die direkte Roboterbewegung des ExciStar-Systems sein wird.

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