Laserbasierte Verfahrenstechnik zur Fügung, Reparatur und zum Rework von Komponenten aus Hochleistungsthermoplast-Verbundwerkstoffen
Das Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung, Abteilung für Rechnergestützte Bauteilgestaltung, arbeitet an neuen materialgerechten Konzepten,Bauteile aus Hochleistungsthermoplast-Verbundwerkstoffen effizient zu reparieren und Fertigungsfehler zu beheben (Rework). Durch neue prozesstechnische Lösungen ergeben sich Möglichkeiten, die Reparaturgeometrie rechnerisch zu optimieren und dadurch die Reparatur zeit- und kosteneffizienter sowie präziser und reproduzierbarer zu gestalten.
Faserverbundwerkstoffe haben den Flugzeugbau, sowie den Automobilbau und allgemeinen Maschinenbau nachhaltig beeinflusst und werden auch in den nächsten Jahren einen immer größeren Stellenwert in der Konstruktion von Leichtbaustrukturen einnehmen. Neben endlosfaserverstärkten Duromeren erreichen in den letzten Jahrzehnten neue Materialien, wie faserverstärkte Hochleistungsthermoplast-Verbundwerkstoffe, einen größer werdenden Marktanteil. Um diese Materialien noch wettbewerbsfähiger und wirtschaftlich interessant zu gestalten, müssen sowohl neue Fügeverfahren als auch materialgerechte Reparaturkonzepte entwickelt werden. „Zeitwert-gerechte“ Reparatur, d.h. eine Verlängerung der Nutzungsphase, bzw. die Vermeidung von frühzeitiger Entsorgung, gewinnt unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit immer mehr an Bedeutung. Auf Grund der Forcierung des Einsatzes von Verbundwerkstoffen und der steigenden Anzahl an Stückzahlen und Anwendungen ist eine Optimierung von Reparaturkonzepten und Konzepten zur Behebung von Fertigungsfehlern notwendig.
Ein Antritt für eine werkstoffgerechte Fügungen von hybriden Strukturen und der Reparatur für Hochleistungsthermoplast-Verbundwerkstoffe ist die richtungsabhängige Optimierung der Geometrie. Um den Antritt umsetzen zu können, muss das Einbringen von Schäftungen und das Entfernen von beschädigten Lagen präziser und effizienter erfolgen. Ein Werkzeug, was diese Anforderungen erfüllen kann, ist der Laser. Im Rahmen dieser Arbeiten wurden verschiedene Laser-Quellen verglichen und deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften nach einer Reparatur wurde untersucht.
Für Komponenten aus Hochleistungsthermoplast-Verbundwerkstoffen stehen auf Grund der benötigten Prozesstemperaturen (>250 °C) noch keine Reparaturverfahren zur Verfügung. Um eine materialgerechte Reparatur zu ermöglichen, wurde am Institut ein Konzept entwickelt, bei dem über elektromagnetische Induktion eine ferromagnetische Metallplatte erwärmt wird. Diese Platte dient unter einem Vakuumaufbau gleichzeitig als Druckblech und als Wärmequelle für die Integration des Patches.