Was können Laser mit Verbundfasern tun? Schneiden, Markieren und Bohren

Verbundwerkstoffe sind Materialien, die im Labor hergestellt werden, um ein Produkt mit überlegenen Eigenschaften zu erhalten. Die meisten dieser sogenannten "Verbundfasern" können mit dem Laser bearbeitet werden, um Operationen wie Schneiden, Markieren und Bohren durchzuführen.

Was sind Verbundfasern?

Verbundmaterialien werden gebildet, indem zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften kombiniert werden, um ein neues Material zu schaffen, das Eigenschaften aufweist, die denen seiner einzelnen Komponenten überlegen sind.

Im Allgemeinen wird eine Faser zu einem Matrixmaterial hinzugefügt. Ein Beispiel hierfür ist der Verbund aus Kohlefaser und Epoxidharz, bei dem Ersteres in Letzteres eingearbeitet ist.

Kohlefaser ist stark, aber nicht steif genug, während Epoxidharz an Festigkeit fehlt, aber die Summe dieser beiden Elemente ergibt ein Verbundmaterial, das gleichzeitig leicht und stark ist.

Ein weiteres Beispiel in diesem Sinne ist eine Verbundfaser, die die einzigartige Eigenschaft haben kann, in einer Richtung sehr steif und in einer anderen Richtung extrem flexibel zu sein.

Zu den wichtigsten Arten von Verbundwerkstoffen, die laserbearbeitet werden können, gehören Verbundwerkstoffe:

• faserverstärkte Polymere (FRP),
• Metallmatrix (MMC),
• Keramikmatrix (CMC).

Selbst innerhalb derselben Klasse von Verbundwerkstoffen können die Eigenschaften erheblich variieren. Designer können die Menge, Form, Größe und Ausrichtung der zweiten Materialien variieren.

Laser ermöglichen Ihnen, mit diesen Verbundwerkstoffen zu arbeiten und bieten unter anderem eine hervorragende Möglichkeit, Kohlefasern oder Glasfasern zu schneiden.

Laserbearbeitung von Verbundfasern

Aufgrund ihres Designs ist die Struktur der meisten Verbundwerkstoffe weniger einheitlich als bei Elementen wie Kunststoffen, Metallen, Metalllegierungen und Keramiken.

Diese ungleichmäßige Struktur macht Verbundwerkstoffe anfälliger für Beschädigungen während der Verarbeitung als homogene Materialien.

Delamination, Faserauszug, Gesenkabsplitterung, Hitzeschäden und Werkzeugverschleiß sind im Allgemeinen die Hauptprobleme bei der Bearbeitung von Verbundwerkstoffen mit konventionellen Bearbeitungsverfahren.

Diese Herausforderungen veranlassten die Hersteller, nach Wegen zu suchen, um Verbundwerkstoffe kostengünstig zu bearbeiten, ohne sie dabei zu beschädigen, und der Laser erwies sich als die ideale Lösung

Der Laser als Lösung

Heutzutage werden verschiedene Laserquellen zum Laserschneiden, Perforieren und Markieren von Verbundwerkstoffen verwendet, darunter Faserlaser, CO2- und Ultrakurzpulslaser.

Jedes Material hat einzigartige Eigenschaften, die die Art und Weise beeinflussen, wie der Laserstrahl mit ihm interagiert und folglich das Endergebnis.

Bei Verbundwerkstoffen sind die drei wichtigsten Laserverfahren, die durchgeführt werden können:

Laserschneiden von Verbundwerkstoffen. Das Schneiden von Kohlefaser oder anderen Verbundmaterialien kann durch Einstellen der Maschine auf die entsprechende Wellenlänge durchgeführt werden. Bei ausreichender Leistung erwärmt der Laser das Material nicht nur bis es verdampft, sondern ermöglicht Ihnen auch einen sauberen und präzisen Schnitt, der eine glatte und saubere Kante hinterlässt. Für organische Verbundwerkstoffe kann ein CO2-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 Mikrometer verwendet werden, während für Metallverbundwerkstoffe das Laserschneiden mit einem Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1 Mikrometer durchgeführt werden kann.

Zusammengesetzte Lasergravur und Markierung. Mit dem CO2-Laser kann erfolgreich ein Oberflächenabschnitt von Verbundmaterialien entfernt werden, wodurch ein sichtbarer Schnitt erstellt wird, mit dem Sie Muster und Bilder auf das Material zeichnen oder Informationen darauf gravieren können.

Laserbohren. Zum Durchführen von Operationen wie Bohren, Schneiden und Gravieren kann die Laserleistung bei organischen Matrixverbundwerkstoffen wie Laminaten zwischen 25 und 1500 Watt und bei Metallmatrixverbundwerkstoffen zwischen 40 und 50 Watt betragen. Im ersten Fall werden CO2-Laser bevorzugt, im zweiten Fall fällt die Wahl auf Faserlaser.

Für weitere Informationen lesen Sie: Vom C02-Laser bis zum Faserlaser entdecken wir die beliebtesten Lasertypen.

Vorteile der Laserbearbeitung von Verbundwerkstoffen

• Präzision des Schnitts. Ein Beispiel ist das Laserschneiden von Kohlefasern, das extrem präzise ist und die Beschädigung der Kanten des Elements im Vergleich zum herkömmlichen mechanischen Schneiden minimiert. Darüber hinaus ist nach Abschluss des Laserschneidens keine weitere Bearbeitung erforderlich.
• Kein Werkzeugverschleiß. Herkömmliche Verbundbearbeitungsverfahren erzeugen einen hohen Werkzeugverschleiß und diese sind mit sehr hohen Kosten verbunden. Für manche Anwendungen wie Schneiden und Gravieren ist ein berührungsloses Materialabtragsverfahren wie die Laserbeschriftung eine interessante und wirtschaftliche Alternative.
• Das Material wird nicht beschädigt. Die Bearbeitung erfolgt ohne Kontakt zwischen Laser und Material und somit wird jegliche Beschädigungsgefahr vermieden.
• Maximale Flexibilität. Der Laser kann so eingerichtet werden, dass er verschiedene Operationen wie präzises Laserschneiden, Markieren und Bohren ausführt. Dies zeigt die extreme Flexibilität dieser Technologie, die auf eine Vielzahl von Verbundfasern angewendet werden kann.

Anwendungsgebiete

Laser sind eine mehr als vielversprechende Technologie für die Herstellung und Bearbeitung von Verbundwerkstoffen in der Luft- und Raumfahrtindustrie, während der weit verbreitete Einsatz von fortschrittlichen Polymerverbundwerkstoffen in dieser Industrie zu ihrem verstärkten Einsatz auch in anderen Branchen, insbesondere in der Automobilindustrie, führt. , wo Gewichtsreduktion immer wichtiger wird.

Verbundwerkstoffe sind von Natur aus inhomogen, daher ändern sich ihre physikalischen Eigenschaften über sehr kleine Bereiche erheblich. Bei carbonfaserverstärktem Polymer (CFK), dem am weitesten verbreiteten Verbundwerkstoff, sind die physikalischen Eigenschaften von Faser und Matrix enorm unterschiedlich, da Carbonfasern alle Wellenlängen des Lichts sehr effizient absorbieren und Wärme sehr schnell leiten, während die Epoxy-Matrix absorbiert und leitet viel weniger gut.

Der Druck aus der Luft- und Raumfahrt- und Transportindustrie verlagert die Composites-Industrie in Richtung der Herstellung thermoplastischer Composites und die Aussichten in diesem Bereich für Laser sind noch besser, da sie bereits zur Verfestigung von Materialien eingesetzt werden.