Verbundwerkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) eignen sich hervorragend für den Leichtbau und kommen unter anderem im Automobil- und Flugzeugbau zum Einsatz. Wissenschaftler:innen des Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) möchten die Bearbeitung von CFK- und Sandwichmaterialien vereinfachen. Gemeinsam mit der INVENT GmbH und der KMS Technology Center GmbH haben sie dazu ein Verfahren mit zugehörigem Anlagenaufbau entwickelt, in dem der Strahl eines Hochleistungslasers diffraktiv auf bis zu 25 Teilstrahlen aufgeteilt und dazu genutzt wird, mehrere Bohrungen gleichzeitig zu setzen. Mit diesem Prozess konnten sie Bohrungen anfertigen, die einen Durchmesser von nur 1,2 mm bis 0,25 mm haben. Damit sind diese kleiner als Bohrungen, die aktuell mit herkömmlichen mechanischen Verfahren in Sandwich- und CFK-Werkstoffen umgesetzt werden können.
Prozessoptimierung mit Blick auf industrielle Nutzung
Die Wissenschaftler:innen haben bei der Entwicklung des Verfahrens zunächst die relevantesten Prozessparameter eingegrenzt und optimiert. Dabei hatten sie auch bereits die industrielle Nutzung im Blick: Anwender:innen in der Produktion sollen später die Bohrprozesse nach klaren Maßgaben ideal einstellen können. Durch die Prozessentwicklung konnten die LZH-Wissenschaftler:innen die Bohrungsqualität bereits maßgeblich verbessern.
Ein klarer Effizienzgewinn entsteht durch die Nutzung des Leistungsüberschusses des verwendeten TRUMPF-Hochleistungslasers: Dieser wird genutzt, um gleichzeitig mehrere Löcher zu bohren. Hierfür wird der Laserstrahl durch eigens dafür ausgelegte diffraktive optische Elemente auf Teilstrahlen aufgeteilt, sodass er auf mehreren Orten auf dem Material auftrifft und Bohrungen erzeugt werden. Im Optimalfall kann dies mit bis zu 25 Teilstrahlen erfolgen, so dass die Bohrdauer nur noch ein 25stel der ursprünglichen Zeit und damit dann weniger als eine Zehntelsekunde pro Bohrung beträgt – ein Wert, der mit herkömmlichen Verfahren selbst bei größeren Bohrungen nicht erreicht wird.
Schalldämmung im Leichtbau als Einsatzbereich
Interessant ist das Mikrobohren mit dem Laser beispielsweise für die Luftfahrt. Um Lärmemissionen von Flugzeugen zu verringern, werden schalldämmende Verkleidungselemente genutzt, mit denen man beispielsweise Triebwerke auskleidet. Solche Bauteile werden häufig aus CFK oder CFK-Sandwichwerkstoffen hergestellt und dann auf einer großen Fläche mit einer Vielzahl von kleinen Bohrungen versehen. Für diese sogenannten Akustikbohrungen eignet sich das Mikrobohren mit dem Laser besonders gut, denn das Laserbohren erfolgt berührungslos und damit kraft- und verschleißfrei. Hohe Kosten durch Werkzeugverschleiß und Qualitätsprobleme durch stumpfe Bohrer entfallen damit.
Einsatz finden kann das Verfahren über die Luftfahrt hinaus auch in der Herstellung von schalldämmenden Elementen im Automobilbau und an allen Anlagen, bei denen eine Schalldämpfung notwendig ist und/oder Leichtbau-Werkstoffe von Vorteil sind. In akustischen Untersuchungen wurden die Schalldämpfungseigenschaften der lasergebohrten Sandwichpanels durch den Projektpartner INVENT GmbH als sehr gut evaluiert. Auch die mechanischen Kennwerte der lasergebohrten Proben haben sich als hervorragend erwiesen. Durch den Einsatz der von der Firma KMS Technology Center GmbH gefertigten Optomechanik ermöglicht das Verfahren zudem eine hohe Flexibilität bei Bohrungsdurchmesser und Bohrbild, ohne dass ein Werkzeugwechsel nötig wird.
