Projekte

Umweltschonende Oberflächenvorbehandlung mit Leistungslasern für die Herstellung von Faser-Metall-Laminaten (FML)

FML – Hautfeld
© Fraunhofer IWS Dresden
FML – Hautfeld
Faser-Metall-Laminat, bestehend aus Aluminium-Dünnblechen und glasfaserverstärkten Epoxidharz-Klebfilmen
© Fraunhofer IWS Dresden
Faser-Metall-Laminat, bestehend aus Aluminium-Dünnblechen und glasfaserverstärkten Epoxidharz-Klebfilmen

Eine großflächige Strukturierung mit Leistungslasern kann nass-chemische Oberflächenvorbehandlung ersetzen und sorgt gleichzeitig für gute Haftung bei ebenen Verklebungen.

FML 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. Im Rahmen eines Luftfahrtforschungsprojektes arbeitete deshalb das Fraunhofer IWS mit weiteren Industrie- und Forschungspartnern an grundlegenden Technologien für die automatisierte FML-Fertigung. Schwerpunkt der Arbeiten in Dresden war dabei die Erarbeitung von Lösungsansätzen zur badfreien Oberflächenvorbehandlung der Metallfolien unter Nutzung der Lasertechnologie.

Lösung

Oberfläche von Aluminium-Dünnblech aus AA2024 mit Laserstrukturierung
© Fraunhofer IFAM Bremen
Oberfläche von Aluminium-Dünnblech aus AA2024 mit Laserstrukturierung
Focused Ion Beam (FIB) – Schnitt der erzeugten Aluminiumoxid-Schicht
© Fraunhofer IFAM Bremen
Focused Ion Beam (FIB) – Schnitt der erzeugten Aluminiumoxid-Schicht

Die Vorbehandlung von Klebestellen mit Laserstrahlung ist ein eingeführtes Verfahren. 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. Deshalb kommen für die FML-Vorbehandlung ein leistungsstarker kontinuierlich emittierender Festkörperlaser und die Remotetechnologie zum Einsatz.

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 m/s linienförmig über die Oberfläche. So können Flächenraten von aktuell bis 1m² pro Minute erzielt werden.

Ergebnisse

Prüfkörper zur Analyse der Haftungseigenschaften
© Fraunhofer IWS Dresden
Prüfkörper zur Analyse der Haftungseigenschaften
Zyklische Prüfung von 5-Lochproben aus 3-2er Laminat
© Fraunhofer IWS Dresden
Zyklische Prüfung von 5-Lochproben aus 3-2er Laminat

Durch die hohen Leistungsdichten und kurzen Wechselwirkungszeiten konnte erreicht werden, dass die native, häufig mit anorganischen Verschmutzungen versetzte Oxidschicht entfernt, die Oberfläche angeraut und gleichzeitig eine deutlich stärkere und dichtere künstliche Oxidschicht aufgebaut werden.

Bei Strukturtiefen von ca. 10 µm konnten bei der Aluminiumlegierung AA2024 Oxidschichtdicken bis ca. 2 µm nachgewiesen werden (Blechdicke: 300 µm). Die im Nachgang hergestellten Klebverbunde verhielten sich bei Festigkeitstests und Alterungsuntersuchungen wie Filliform- und Salzsprühtests vergleichbar zu mit einer klassischen Phosphorsäure-Anodisierung (PSA) vorbehandelten Prüfmustern.

Zur Validierung der Gesamtperformance von laserstrukturierten Faser-Metall-Laminaten wurden außerdem 3-2er Laminate hergestellt. An 5-Loch-Proben erfolgten unter zyklischer Belastung eine Rissinitiierung sowie die Dokumentation von Rissfortschritt und Restfestigkeit. Dabei konnten bis zu 90% der Performance der mit PSA –Vorbehandlung hergestellten FMLs erreicht werden.

Forschungsförderung

© Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Ein Teil dieser Forschung wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie auf der Grundlage der Entscheidung des Deutschen Bundestags im Rahmen des Projekts »AUTOGLARE - Fortschrittliche Metallrumpfbauweise – glasfaserverstärktes Aluminium und automatisierte Fertigungsprozesse für hohe Produktionsraten im Flugzeugbau; Teilvorhaben: NFM-GLARE« (FKZ: 20W1517D) gefördert.