LZH optimiert Laserverfahren Leichtere Nachbearbeitung von CFK-Bauteilen

Reparaturvorbereitung eines CFK-Flugzeugteils durch lagenweises Laserabtragen der beschädigten Werkstoffschichten.
Reparaturvorbereitung eines CFK-Flugzeugteils durch lagenweises Laserabtragen der beschädigten Werkstoffschichten.

Der Leichtbauwerkstoff CFK wird für die Herstellung von Flugzeugbauteilen verwendet, jedoch ist die Bearbeitung bisher sehr aufwendig. Das LZH will das Verfahren vereinfachen: Mit dem Projekt »ReWork« soll ein prozesssicheres Verfahren für dünnwandige und komplexe CFK-Bauteile entwickelt werden.

Viele Flugzeugbauteile bestehen heute aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) – einem Leichtbauwerkstoff. Das Material hat trotz hoher Stabilität ein geringes Gewicht, allerdings ist die Bearbeitung des Werkstoffs bisher noch aufwendig. Die Luftfahrtindustrie benötigt also ein prozesssicheres Verfahren, um fertigungs- und betriebsbedingte Fehlstellen schneller und kostengünstiger beseitigen zu können. Um CFK künftig effizienter nachbearbeiten zu können, hat das Laser Zentrum Hannover (LZH) gemeinsam mit Invent, Owita und Precitec Optronik das Verbundprojekt »ReWork« gestartet. Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines prozesssicheren Verfahrens für dünnwandige und komplexe CFK-Bauteile.

Die Ansätze der laserbasierten Verfahren sind besonders vielversprechend, denn 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 der Patch-Reparatur werden die Fehlstellen zunächst lagenweise per Laser entfernt und anschließend mittels Patch lagengetreu ersetzt.

Eine Systemtechnik, bestehend aus einem Laser, einem Scanner, einem 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.

Außerdem steht die Weiterentwicklung des Laserprozesses im Mittelpunkt der Arbeiten der Gruppe Verbundwerkstoffe in der Abteilung Produktions- und Systemtechnik. Oft sind die Flugzeugteile aus CFK dünnwandig und komplex geformt und erschweren die laserbasierte Oberflächenbearbeitung. Sie benötigen deshalb individuell angepasste Laserparameter. Zudem weist CFK typischerweise eine räumlich inhomogene Wärmeleitung auf. Um dennoch eine konstante Oberflächenqualität zu erreichen, erarbeiten die LZH-Experten eine ausgeklügelte Prozessstrategie – auch unter Berücksichtigung der geometrischen Skalierbarkeit der Prozessparameter. Die neue Technik soll sowohl auf 2-D- als auch auf 3-D-Bauteilen 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.