3 μm Laseranlage zur Klebe- und Lackiervorbehandlung in der nachhaltigen Konditionierung von Faserverbundmaterialien (3KLANK)

Faserverbundmaterialien auf Kunststoffbasis (Faserverstärkte Kunststoffe (FVK)) finden aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen mechanischen Belastbarkeit in vielfältigen Bereichen, wie beispielsweise Luftfahrt und Automobilbau, Anwendung.
Die formbasierte Herstellung der FVK-Bauteile bedingt einen Übertrag des Trennmittels aus der Form auf das fertige Bauteil. Da sich das Trennmittel nachteilig auf die Weiterverarbeitung auswirkt, müssen Fügeflächen sowie die gesamte Außenfläche vor dem Aufbringen der Lackierung, die das Rotorblatt vor Umwelteinflüssen wie Sonneneinstrahlung durch UV-Licht, Erosion und vor Salzwasser schützt, vorbehandelt werden. Zur mechanischen Reinigung werden überwiegend manuelle und nach neuestem Stand der Technik auch erste automatisierte Schleifverfahren oder Strahlprozesse eingesetzt. Diese Verfahren sind jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden und erzeugen große Mengen gesundheitsschädlicher sowie umweltbelastender und explosiver Stäube und / oder nicht recyclingfähiger Strahlmittelrückstände. Beide Technologien können zudem bei unsachgemäßer Anwendung zu einer Schädigung der Fasern und einer Reduktion der mechanischen Beständigkeit führen.
Eine vielversprechende Alternative stellt die Oberflächenvorbereitung mittels Laserstrahlung mit einem in der Polymermatrix hohen Absorptionsverhalten dar. Ein möglicher Wellenlängenbereich, der eine Absorption von nahezu 100 % in Epoxidharzen zeigt, liegt bei etwa ~3 μm. Ein laserbasiertes Verfahren bietet die Möglichkeit einer hohen Effizienz bei gleichzeitig hoher Prozessstabilität. Allerdings mangelt es derzeit an geeigneten fasergekoppelten Lasersystemen, die eine effektive und effiziente Oberflächenvorbereitung von FVK-Bauteilen auf einem industrierelevanten Leistungsniveau ermöglichen.
Ziel des DBU-Projekts 3KLANK war die Bereitstellung eines robusten, effizienten und flexiblen Vorbehandlungsverfahrens für Faserverbundmaterialien, welches im industriellen Umfeld einsetzbar ist. Mittels eines vom Fraunhofer ILT und der cleanLASER GmbH neuentwickelten frequenzkonvertierten Lasersystems mit einer Emissionswellenlänge von 3 μm ist eine Reinigung der Faserverbundwerkstoffoberfläche durch einen schonenden und gezielten Laserabtrag der Kunststoffmatrix möglich, ohne die für die Materialfestigkeit wichtigen Fasern zu schädigen. Diese Strahlqualle stellt die Basis für die Entwicklung und Optimierung neuer Prozesse zur Laserbehandlung von Oberflächen zur Optimierung von Lackier- und Klebprozessen. Das Fraunhofer IFAM bringt die benötigte Expertise auf dem Gebiet der Verbesserung der Haftfestigkeit von Lacken und Klebstoffen sowie in der Stabilisierung gegenüber Alterungseffekten oder korrosiven Angriffen ein.
Im Rahmen des Projektes wurde nachgewiesen, dass ein schädigungsfreies Reinigen von Faserverbundwerkstoffen mit der Wellenlänge von 3 μm möglich ist und vergleichbare oder bessere Ergebnisse für Lackier- und Klebprozesse liefert.
Zum Projektende ist die Konstruktion und Bestellung der Komponenten für einen mobilen Funktionsdemonstrator mit Bearbeitungsoptik und Achssystem in Form eines Schaltschrankaufbaus abgeschlossen. Aufgrund des erhöhten Umfangs von Bearbeitungsversuchen und Analysen sowie Verzögerungen bei der Faserkopplung kann der Aufbau erst nach Projektende fertig gestellt werden. Kurzfristig nach Projektende wird dann ein industrienahes Bearbeitungssystem bei cleanLASER zur Verfügung stehen. Nach Projektende werden damit die Erprobungen an verschiedenen Materialien fortgesetzt, um weitere Anwendungsfelder zu ermitteln.
Wir danken der Deutschen Bundesstiftung Umwelt, die das Projekt 3KLANK unter dem Aktenzeichen 36019/01 mit förderfähigen Gesamtkosten i. H. v. 457.869 € im Rahmen der Richtlinien gefördert hat.