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Laserstrahl-Bohren von CFK-Preforms = Laser Drilling of CFRP-Preforms
2018
Dissertation, RWTH Aachen University, 2018
Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-08-10
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-230768
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/750674/files/750674.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CFK (frei) ; CFRP (frei) ; Carbon (frei) ; Faserlaser (frei) ; Laser Bohren (frei) ; Preform (frei) ; Ultrakurzpulslaser (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Der Einsatz von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) erfährt besonders in der Automobil- und Flugzeugindustrie eine stetig wachsende Bedeutung. Durch die angestrebten Gewichtseinsparungen wird ein reduzierter Kraftstoffverbrauch bei gleicher mechanischer Belastbarkeit der Bauteile erwartet. Die Integration von Krafteinleitungselemente zur lösbaren Verbindung von CFK-Bauteilen an eine Grundstruktur stellt dabei besondere Anforderungen an die Fertigungstechnik dar. Defekte wie z. B. thermische Schädigungen und Delaminationen müssen aufgrund der bisher noch kostenintensiven Carbon-fasern und der aufwendigen Prozesskette zur Herstellung von CFK-Bauteilen unbedingt vermieden werden. Für die Einbringung von Bohrungen zur Integration von Krafteinleitungs-elementen stoßen sowohl konventionelle als auch nicht-konventionelle Fertigungsverfahren an industrierelevante Grenzen bezüglich der erzielbaren materialographischen und geometrischen Qualität. Die Hauptursache liegt dabei in den unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der Carbonfasern und der Matrix. Erfolgversprechend erscheint daher, das noch ungetränkte Carbonfaser-textil zu bohren und nach Integration der Krafteinleitungselemente mit dem Matrixwerkstoff zu infundieren. Das Bohren mittels Laserstrahlung ermöglicht dabei die mechanisch kontaktlose Materialbearbeitung für einen ungestörten Textilaufbau. Um die erzielbare geometrische und materialographische Bohrungsqualität bewerten zu können, müssen die Auswirkungen der Laser-strahlung auf das Carbonfasertextil untersucht werden. Durch den Einsatz von langgepulster Laserstrahlung wird dabei ein produktiver Bearbeitungsprozess ermöglicht. Durch die energiereichen Laserpulse können aber große thermische Schädigungen an den Fasern auftreten. Alternativ kann mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung eine thermisch defektfreie Bohrung erzeugt werden, jedoch häufig zu Lasten der Produktivität und des Aspektverhältnisses. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Schadensphänomene und deren Wirk-mechanismen von Laserstrahl gebohrten, carbonfaserbasierten textilen Vor-formlingen, sogenannte Preforms, untersucht. Sowohl für die Bearbeitung von langgepulster als auch ultrakurz gepulster Laserstrahlung werden Prozess-strategien entwickelt, um thermisch induzierte Schäden zu verringern oder gar zu vermeiden. Für die langgepulste Laserbearbeitung wird eine Scanstrategie entwickelt, mit der bei hoher Produktivität thermische Schädigungen minimiert werden können. Weiterhin werden insbesondere für ultrakurz gepulste Laser-strahlung Handlungsempfehlungen entwickelt, um die Produktivität zu erhöhen und die Bohrungskonizität zu verkleinern.The use of components made of carbon fiber-reinforced polymers (CFRP) is becoming increasingly important, especially in the automotive and aviation industries. The targeted weight savings are expected to reduce fuel consumption while maintaining the same mechanical load-bearing capacity of the components. The integration of force transmission elements for the detachable connection of CFRP components to a basic structure places special demands on production technology. Defects such as thermal damage and delamination must be avoided due to the still cost-intensive carbon fibers and the complex process chain for the production of CFRP components. For the drilling of holes for the integration of force transmission elements, both conventional and non-conventional manufacturing processes reach the limits of industrially relevant materialographic and geometric quality. The main reason for this are the different physical properties of the carbon fibers and the matrix. It therefore seems promising to drill the still unimpregnated carbon fiber textile and to infuse it with the matrix material after integration of the force transmission elements. Laser drilling enables mechanical contactless material processing to ensure an undisturbed textile setup. In order to evaluate the achievable geometric and materialographic drilling quality, the effects of laser radiation on the carbon fiber textile must be investigated. The use of long-pulsed laser radiation enables productive material processing. However, the high-energy laser pulses can cause significant thermal damage to the fibers. Alternatively, ultra-short pulsed laser radiation can be used to manufacture a thermally defect free bore, but often at the expense of productivity and aspect ratio. In the context of this work the damage phenomena and their mechanisms of action of laser-drilled, carbon fiber-based textile preforms are investigated. Process strategies are developed both for the processing of long-pulsed and ultra-short pulsed laser radiation in order to reduce or even avoid thermally induced damage. For long-pulsed laser processing, a scanning strategy is developed with which thermal damage can be minimized at high productivity. Furthermore, recommendations for action are being developed, especially for ultra-short pulsed laser radiation, in order to increase productivity and reduce conicity of the bore.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT019895072
Interne Identnummern
RWTH-2018-230768
Datensatz-ID: 750674
Beteiligte Länder
Germany
