Verbundwerkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) eignen sich hervorragend für den Leichtbau und kommen unter anderem im Automobil- und Flugzeugbau zum Einsatz. Um die Bearbeitung von CFK- und Sandwichmaterialien zu vereinfachen, haben Wissenschaftler:innen des LZH gemeinsam mit der INVENT GmbH und der KMS Technology Center GmbH ein innovatives Verfahren mit zugehörigem Anlagenaufbau entwickelt.

Gleichzeitige Bohrungen mit geringem Durchmesser

In dem Prozess wird ein Laserstrahl durch eigens dafür ausgelegte diffraktive optische Elemente auf Teilstrahlen aufgeteilt, sodass er auf mehreren Orten auf dem Material auftrifft und so mehrere Bohrungen gleichzeitig erzeugt werden. Im Optimalfall kann dies mit bis zu 25 Teilstrahlen erfolgen, so dass die Bohrdauer nur noch ein 25stel der ursprünglichen Zeit und damit dann weniger als eine Zehntelsekunde pro Bohrung beträgt – ein Wert, der mit herkömmlichen Verfahren selbst bei größeren Bohrungen nicht erreichbar ist.

Mit diesem Prozess konnten die Wissenschaftler:innen Bohrungen anfertigen, die einen Durchmesser von nur 1,2 mm bis 0,25 mm haben. Damit sind sie kleiner als Bohrungen, die aktuell mit herkömmlichen mechanischen Verfahren in Sandwich- und CFK-Werkstoffen umgesetzt werden können. Durch den Einsatz der von der Firma KMS Technology Center GmbH gefertigten Optomechanik ermöglicht das Verfahren zudem eine hohe Flexibilität bei Bohrungsdurchmesser und Bohrbild, ohne dass ein Werkzeugwechsel nötig wird.

Schalldämmung im Leichtbau als Einsatzbereich

Interessant ist das Mikrobohren mit dem Laser beispielsweise für die Luftfahrt. Um Lärmemissionen von Flugzeugen zu verringern, werden schalldämmende Verkleidungselemente genutzt, mit denen beispielsweise Triebwerke auskleidet werden. Solche Bauteile werden häufig aus CFK oder CFK-Sandwichwerkstoffen hergestellt und dann auf einer großen Fläche mit einer Vielzahl von kleinen Bohrungen versehen.

Für diese sogenannten Akustikbohrungen eignet sich das Mikrobohren mit dem Laser besonders gut, denn das Laserbohren erfolgt berührungslos und damit kraft- und verschleißfrei. Hohe Kosten durch Werkzeugverschleiß und Qualitätsprobleme durch stumpfe Bohrer entfallen damit. In akustischen Untersuchungen wurden die Schalldämpfungseigenschaften der lasergebohrten Sandwichpanels durch den Projektpartner INVENT GmbH als sehr gut evaluiert.

Über miBoS

Das Projekt „Mikrobohren von Sandwichwerkstoffen: Entwicklung eines Laserverfahrens“ (miBoS) wird unter dem Förderkennzeichen 20T1926C vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert. 

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