Grundlegende Untersuchung der thermischen Schädigung von kohlefaserverstärkten Kunststoffen beim Laserstrahltrennen mittels Hochleistungslasern
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden grundlegende Untersuchungen zur thermischen Schädigung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) bei der trennenden Bearbeitung unter Verwendung von Hochleistungslasern durchgeführt. Als charakteristische Größe zur Beschreibung der infolge der Strahl-Stoff-Wechselwirkung induzierten Werkstoffschädigung wurde die Wärmeeinflusszone (WEZ) herangezogen. Durch die Variation bedeutender Laser- sowie Bearbeitungsparameter konnten entscheidende Einflussfaktoren identifiziert werden, welche die Ausdehnung und die Struktur der WEZ maßgeblich determinieren. Es wurde festgestellt, dass insbesondere durch die Wahl hoher Vorschubgeschwindigkeiten, für konstante Streckenenergien die WEZ in ihrer Ausdehnung reduziert werden konnte. Darüber hinaus wurde der Einfluss unterschiedlicher Prozessgase auf die Ausbildung der WEZ aufgezeigt. So konnten durch die Wahl inerter Gase geringere Schädigungen im CFK-Laminat erzielt werden. Diese Phänomene konnten unabhängig von der verwendeten Laserwellenlänge, der CFK-Bauteildicke, der Art des Matrixwerkstoffs (Duroplast/Thermoplast), der Faserorientierung sowie der Gewebe- und Gelegeart nachgewiesen werden. Durch den Einsatz thermographischer Verfahren gelang es, die sich während des Laserstrahlschneidprozesses an der CFK-Oberfläche einstellenden Temperaturfelder zu erfassen. Es zeigte sich, dass insbesondere beim Schneiden kleiner Radien und bei der Erzeugung geringer Stegbreiten, allein durch die Wärmeleitung entlang der Kohlenstofffasern, an die Schneidzone angrenzende Bereiche thermisch geschädigt werden, so dass eine Anpassung der Prozessstrategie erforderlich wird. Zur Bewertung mikroskopischer Werkstoffschädigungen innerhalb des Faserverbundwerkstoffs wurde u.a. an der Analyse der Werkstoffveränderung auf Basis von Verfahren zur Thermochromie gearbeitet. Hierfür wurden im Handlaminierverfahren und im Vakuuminfusionsverfahren duroplastische CFK-Laminate hergestellt, wobei der Matrix unterschiedliche thermochrome Additive in fester und flüssiger Form zugesetzt wurden. Für ausgewählte Laminate konnten im Querschliff entsprechend der jeweiligen Farbumschlagtemperatur zugehörige Isothermen detektiert werden. Deutlich reproduzierbarere Ergebnisse bzgl. der sich im Bauteil einstellenden Temperaturen lieferte jedoch die Auswertung von Signalen eingebetteter Thermoelemente. Um den Einfluss thermisch beeinflusster Bauteilkanten auf mechanische Festigkeitseigenschaften zu bestimmen, wurden Zugfestigkeitsuntersuchungen sowie Untersuchungen zur interlaminaren Scherfestigkeit durchgeführt. Zur Referenzierung wurden zusätzlich Prüfkörper mittels konventioneller Verfahren, z. B. Fräsen, hergestellt und getestet. Ein analytisches Modell wurde entwickelt, welches die Abnahme mechanischer Festigkeitskennwerte, hervorgerufen durch einen reduzierten lastragenden Querschnitt lasergeschnittener CFK-Werkstoffe, beschreibt. Abschließend erfolgte die Entwicklung und Bewertung unterschiedlicher Maßnahmen zur Verfahrensoptimierung. Es zeigte sich u.a., dass eine Bauteilkühlung durch Wasser die Ausbildung einer Wärmeeinflusszone um bis zu 50 % verringert.
Publications
- Investigations on interlaminar shear strength properties of disc laser machined consolidated CF-PPS laminates. Express Polymer Letters (2011), 5, No. 3
Jaeschke, P.; Kern, M.; Stute, U.; Haferkamp, H.; Peters, C.; Herrmann, A. S.
- Laser cutting of Cetex thermoplastic composites using high-power multimode fibre laser. In: SAMPE, 2011, Long Beach
Jaeschke, P.; Fischer, F.; Kern, M.; Stute, U.; Kracht, D.
- Evaluation of cutting edge characteristics during laser processing of continuous carbon fibre reinforced. In: Proceeding of International Symposium on Laser Processing of CFRP and Composites, 2012, Yokohama
Jaeschke, P.; Bluemel, S., Bastick, S.; Stute, U.; Kracht, D.
- Haferkamp, H.: Innovations in high-power laser processing of thermoplastic composites. In: SAMPE TECH, 2012, Charleston
Jaeschke, P.; Stute, U.; Kracht, D.
- Laser processing of continuous carbon fibre reinforced polyphenylene sulfide organic sheets – correlation of process parameters and reduction in static tensile strength properties. Journal of Thermoplastic Composite Materials (2012)
Jaeschke, P.; Kern, M.; Stute, U.; Kracht, D.; Haferkamp, H.
(See online at https://doi.org/10.1177/0892705712446016) - Thermal effects on cutting edge characteristics by laser machining of endless carbon fibre reinforced thermoplastics. In: SAMPE Europe Conference & Exhibition – SEICO12, 2012, Paris
Jaeschke, P.; Stute, U.; Kracht, D.
