Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff sollen langlebiger und ökoeffizienter werden. Um das zu erreichen, kombinieren Forscher ein neuartiges Messgerät zur Faserlagenorientierung mit einem laserbasierten Reparaturprozess.
Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) werden in der Luftfahrt- und Automobilindustrie schon vielfach eingesetzt. Fehlstellen in FVK-Bauteilen können fertigungs- oder auch betriebsbedingt sein. Wie rentabel eine Reparatur ist, hängt dabei von der Geometrie der Fehlstelle, den Werkzeugen und Reparaturverfahren sowie der Möglichkeit zur Automatisierung ab. Bisher ist die Reparatur von Bauteilen aus diesen Verbundwerkstoffen häufig weniger rentabel als ein Austausch.
Mittels Laserschäften und anschließender Patch-Reparatur lassen sich FVK-Bauteile aber faserverbundgerecht instandsetzen. Dabei wird das beschädigte Material lagenweise entweder kontinuierlich oder stufenförmig abgetragen. Passgenaue Ersatzstücke, so genannte Patches, verschließen danach die Fehlstelle. Mit Harz lassen sich diese neu eingebrachten Faserlagen anschließend infiltrieren und konsolidieren. Auf diese Weise erreichen die Reparaturen hohe Festigkeiten.
Optisches System zeigt Faserlagenorientierung
Die Herausforderung beim Laserschäften ist die präzise und rückstandslose Entfernung der beschädigten Faserlagen. Erschwert wird dies durch die variierende Dicke der Verbundschichten, die sowohl global, das heißt im gesamten Bauteil, als auch lokal, also örtlich beschränkt, auftreten kann.
Ein optisches System, das die Faserorientierung des freigelegten Materials erkennt, soll hier helfen. Als Grundlage dient ein bestehendes System der Apodius GmbH, das bereits beim Herstellen trockener Faserhalbzeuge verwendet wird. Nun werden diese Faserorientierungsmessgeräte weiterentwickelt, um auch variierende Schichtdicken in Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen mit einer Kunststoffmatrix detektieren zu können.
Echtzeitauswertung regelt den Laserprozess
In Kombination mit dem scannerbasierten Laserschäftprozess des Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ermöglicht das neue Faserorientierungsmessgerät eine höhere geometrische Auflösung als bei mechanischen Abtragverfahren. „Aufgrund der Schnelligkeit des Bilderkennungsverfahrens können die Messdaten in Echtzeit ausgewertet werden. Damit ist die Grundvoraussetzung für eine Regelung des Schäftprozesses erfüllt. Somit rückt das Ziel, diesen Prozess zu automatisieren, deutlich näher“, erklärt Dr. Peter Jäschke, Leiter der Gruppe Verbundwerkstoffe am LZH. Ein weiterer Vorteil des Lasers gegenüber konventionellen Verfahren ist die kraft-, berührungs- und verschleißfreie Bearbeitung.
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