03/02/2020
Door Ad Spijkers
Componenten uit met koolstofvezel versterkte kunststof (CFRP) kunnen sneller worden geproduceerd met behulp van een nieuw, op UKP-lasers gebaseerd proces.
Componenten uit carbon fiber reinforced plastics (CFRP) worden vaak voorzien van verbindingselementen. Hiertoe wordt in de uitgeharde component een gat geboord en de insert vastgelijmd. De componenten zijn meestal moeilijk te bewerken en te verwerken en de productie is duur.
Het CarboLase-projectconsortium volgt een nieuwe weg. Met een ultrakorte pulslaser (UKP) worden met micrometerprecisie gaten gesneden in de preform en voorzien van inserts. Pas daarna wordt de CFRP-component uitgehard. Dit bespaart tijd.
CarboLase
Een combinatie van CNC-snijden, laserbewerking en automatische handling is de oplossing voor deze FRP-componentproductie. De technologieën van de afzonderlijke processtappen zijn geïntegreerd in een robotcel en de tussenliggende subprocessen zijn geautomatiseerd. Eerst wordt de preform gemaakt door lagen vezels te snijden, te stapelen en samen te drukken. Vervolgens wordt een ultrakorte pulslaser gebruikt om uitsparingen in de preforms te boren en de metalen inzetstukken erin te steken. Pas daarna wordt de CFRP-component uitgehard. Dit kan productieprocesketens aanzienlijk verkorten.
Voor dit proces zijn nauwkeurige uitsparingen in de preform vereist. Wil de UKP-laser een succesvol alternatief zijn voor conventionele productie, dan moet de laser in de robotcel worden geïntegreerd. Normaal gesproken worden ultrakorte pulsen via spiegels overgebracht, maar dit is nauwelijks mogelijk op een robotarm. Daarom hebben de experts van het Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT), samen met die van Trumpf-dochter Amphos, een nieuw systeem ontwikkeld voor het in- en uitschakelen van de UKP-laser. De laserbron is nu via een vezel met holle kern verbonden met de scanner op de robot.
Succesvolle implementatie
Het ontwikkelde proces is al met succes getest en de technische haalbaarheid is bewezen. De projectpartners produceerden een demonstrator voor een B-stijlelement, dat vervolgens werd onderworpen aan grondige mechanische testen. Bij zowel uittrek- als torsieproeven presteerden de verbindingen gemaakt met het CarboLase-proces beter dan die van conventioneel vervaardigde CFP-componenten. De inzetstukken die vormgesloten zijn verbonden met het matrixmateriaal bereiken een maximale uittrekkracht die tot 50% groter. Hierdoor kan de dikte en het totale gewicht worden verminderd, afhankelijk van het componentontwerp.
Een voorbeeld van een via CarboLaser vervaardigde component. De UKP-laser bewerkt het weefsel zonder het thermisch te beschadigen. (foto: Institut für Textiltechnik, RWTH Aachen)
Het proces biedt een grote ontwerpvrijheid; de positie en de grootte van de verbindingspunten kunnen naar wens worden bepaald. Robots en scanners kunnen zich veel vrijer en nauwkeuriger verplaatsen dan conventionele bewerkingscentra. Het UKP-laserproces is met name interessant voor lichtgewicht componenten voor de ruimtevaart- en automobielsector en kan bijdragen aan materiaal- en kostenbesparingen bij de productie van CFRP-componenten.
Foto boven: een preform uit met carbonvezel versterkt kunststof met een stervormige boring en een nauwkeurig passende metalen insert. (foto: Fraunhofer-ILT)