Lasertechnik

Verbesserte Haftung

| Redakteur: Luca Meister

Laserstrukturierungsanlage am Fraunhofer IWS Dresden.
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Laserstrukturierungsanlage am Fraunhofer IWS Dresden. (Bild: Fraunhofer IWS)

Forscher des Fraunhofer IWS und des IFAM haben eine Technologie zur effizienten, umweltschonenden, grossflächigen Oberflächenvorbehandlung von Glasfaser-­Metall-Laminaten («Glare») entwickelt. Die damit geklebten Mehrlagenverbünde haben sehr gute Adhäsions- und Korrosionseigenschaften, so dass auf eine chemische Vorbehandlung mit Anodisierbädern verzichtet werden kann.

Das Laserstrukturierungs-Projekt wurde im Rahmen des Luftfahrtforschungsprojektes «Autoglare – Fortschrittliche Metallrumpfbauweise – glasfaserverstärktes Aluminium und automatisierte Fertigungsprozesse für hohe Produktionsraten im Flugzeugbau; Teilvorhaben: NFM-Glare» durchgeführt. «Glare» gilt in der Luftfahrtindustrie als Leichtbauwerkstoff mit grossem Zukunftspotenzial. Es besteht aus mehreren jeweils nur einige Zehntelmillimeter starken Aluminium- und Faserverbundlagen. Gegenüber reinen Metallen bietet das neue Material neben der Gewichtseinsparung auch ein verbessertes Durchbrand- sowie Einschlagverhalten und aufgrund der verzögerten Rissausbreitung ein verbessertes Ermüdungsverhalten. Die Herstellung dieses Halbzeuges ist wegen der bisher noch sehr geringen Stückzahlen jedoch kaum automatisiert und damit kosten- und ressourcenaufwändig. In Zusammenarbeit mit weiteren Industrie- und Forschungspartnern arbeiten das Fraunhofer IWS Dresden und das IFAM Bremen deshalb an grundlegenden Technologien für die automatisierte Glare-Fertigung.

Ein Schwerpunkt der Forschungsarbeiten liegt auf der Entwicklung von Verfahren, mit denen die bisher auf nass-chemischer Basis erfolgende Oberflächenvorbehandlung effizienter und umweltschonender erfolgen kann. Die Herausforderungen an die Alternativtechnologien sind sehr gross. Konventionelle Anodisierbäder reinigen nicht nur die Oberfläche, sondern verbessern auch die Adhäsion zum faserverstärkten Klebefilm durch eine Oberflächenvergrösserung und Aktivierung. Ein Lösungsansatz des Fraunhofer IWS war die Vorbehandlung der Klebestelle durch das Reinigen und die Strukturierung mit Laserstrahlung. Für den Materialabtrag kamen bisher immer gepulste Lasersysteme zum Einsatz, da nur sie die entsprechend hohen Intensitäten zum Verdampfen des Metalls erzielten. Allerdings werden bei der klassischen Reinigung und Klebestellenvorbehandlung mit diesen Lasersystemen lediglich einige Quadratzentimeter bearbeitet. Im Projekt war jedoch die Strukturierung von mehreren Quadratmetern Oberfläche und damit ein deutlich effizienteres Lasersystem erforderlich.

Die Wissenschaftler des Fraunhofer IWS Dresden benutzen für die Vorbehandlung einen leistungsstarken kontinuierlich emittierenden Festkörper­laser und die Remotetechnologie. Durch eine sehr gute Bündelung der Laserstrahlung im Kilowatt-­Bereich bei gleichzeitig schneller Spot-Bewegung über das Substrat kann ein reproduzierbarer Materialabtrag erzielt werden. Um eine gute Produktivität zu erhalten, bewegt sich der Laserspot mit bis zu 300 Meter pro Sekunde linienförmig über die Oberfläche. So können Flächenraten von aktuell einem Quadratmeter pro Minute erzielt werden. Im Vergleich dazu dauert eine nass-chemische Vorbehandlung in verschiedenen Bädern mindestens 20 Minuten.

Die auf den Aluminiumoberflächen erzeugten Strukturtiefen von 10 Mikrometer und mehr ermöglichen eine optimale Adhäsion zum Klebefilm. Die Untersuchungen des Fraunhofer IFAM Bremen zeigen auch, dass durch den Laserprozess die native und häufig poröse Oxidschicht entfernt und gleichzeitig eine homogene Grenzschicht mit deutlich verbesserten Korrosionsschutzeigenschaften entsteht. -mei- SMM

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