LZH optimiert laserbasierte CFK-Nachbearbeitung für die Luftfahrtindustrie

Viele Flugzeugbauteile bestehen heute aus dem Leichtbauwerkstoff CFK. Die Vorteile dieses Materials sind das geringe Gewicht und die hohe Stabilität. Allerdings ist die Bearbeitung dieses Werkstoffs nach wie vor aufwendig. Um fertigungs- und betriebsbedingte Fehlstellen schneller und kostengünstiger beseitigen zu können, benötigt die Luftfahrtindustrie deshalb eine prozesssichere Lösung.

Eliminierung von Fehlstellen durch passgenaue Patches

Laserbasierte Verfahren bieten vielversprechende Ansätze: Kohlenstofffasergewebe lässt sich so berührungslos, kraft- und verschleißfrei bearbeiten. Zudem ermöglicht es die hohe geometrische Auflösung des Lasers, die Oberfläche präzise zu schäften und passgenaue Ersatzlagen einzubringen. Bei dieser sogenannten Patch-Reparatur werden die Fehlstellen zunächst lagenweise per Laser entfernt und anschließend mittels Patch lagengetreu ersetzt.

Eine innovative Systemtechnik, bestehend aus Laser, Scanner, Kurzkohärenz-Interferometriesystem sowie einer Steuerungssoftware, soll je nach Beschaffenheit des CFK-Bauteils individuelle Prozessparameter ermitteln. Für die nötige Präzision beim Lagenabtrag sorgt das Kurzkohärenz-Interferometriesystem, das die Abtragstiefe örtlich hoch aufgelöst misst. Deformationen der Oberfläche durch Aufdickungen wie sie bei mechanischen Bearbeitungsverfahren häufig auftreten, lassen sich so vermeiden.

Flexible Laserparameter für variable Bauteilgeometrien

Neben der passenden Systemtechnik steht die Weiterentwicklung des Laserprozesses im Mittelpunkt der Arbeiten der Gruppe Verbundwerkstoffe in der Abteilung Produktions- und Systemtechnik. Eine Herausforderung bei der laserbasierten Oberflächennachbearbeitung von Flugzeugteilen aus CFK ist, dass diese oftmals dünnwandig und komplex geformt sind und deshalb individuell angepasste Laserparameter erfordern. Zudem weist CFK typischerweise eine räumlich inhomogene Wärmeleitung auf.

Um trotzdem eine konstante Oberflächenqualität zu erreichen, erarbeiten die LZH-Experten eine ausgeklügelte Prozessstrategie – auch unter Berücksichtigung der geometrischen Skalierbarkeit der Prozessparameter. Die neue Technologie soll sowohl auf 2D- als auch auf 3D-Bauteile anwendbar und idealweise automatisierbar sein.

Gefördert wird das Projekt „Prozesssicheres Re-Work an dünnwandigen, gekrümmten CFK-Oberflächen mittels photonischer Systeme und piezo-gestützter Qualitätskontrolle“ (ReWork) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) für eine Laufzeit von drei Jahren.