DE102020213934B4 - Process for separating or forming a kerf in fiber composite components using laser radiation - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Trennen von oder der Ausbildung eines Schnittspaltes in Faserverbund-Bauteilen, insbesondere Kohlenstofffaserverbund-Bauteilen, mit Laserstrahlung, bei dem zwei in einem vorgebbaren, die Breite eines im Faserverbund-Bauteil auszubildenden vollständigen Schnittspaltes vorgebenden Abstand zueinander angeordnete Begrenzungsschnitte mit einem oder zwei Laserstrahlen, die entlang einer vorgegebenen Schneidkontur ausgelenkt werden, ausgebildet werden undnach Ausbildung der zwei Begrenzungsschnitte der oder ein weiterer Laserstrahl mit seinem Brennfleck, der Schneidkontur folgend bewegt und der Schnittspalt ausgebildet wird, wobeidie Begrenzungsschnitte mit einer kleineren Spaltbreite als der des Schnittspaltes ausgebildet werden und wobeieine höhere Leistungsdichte im Brennfleck, eine kleinere Querschnittsfläche des jeweiligen Brennflecks und/oder eine kleinere Vorschubbewegungsgeschwindigkeit des Brennflecks des einen oder der zwei Laserstrahlen bei der Ausbildung des Begrenzungsschnitte eingehalten wird, als dies bei der Ausbildung eines temporären Schnittspaltes zwischen den Begrenzungsschnitten mit dem oder dem weiteren Laserstrahl der Fall ist, so dass bei der Ausbildung der Begrenzungsschnitte ein polymerer Matrixwerkstoff, in dem Fasern eingebettet sind, vollständig und Fasern zumindest derart durchtrennt werden, dass Faserreste bei Ausbildung des temporären Schnittspalts oder im Anschluss daran aus dem Schnittspalt entfernt werden können undbei der Ausbildung des temporären Schnittspaltes mit dem einen oder dem weiteren Laserstrahl lediglich polymerer Matrixwerkstoff entfernt und Fasern oder Faserreste freigelegt werden unddie Ausbildung des temporären Schnittspalts so oft wiederholt wird, bis eine vorgegebene Tiefe des vollständigen Schnittspaltes oder ein vollständiges Durchtrennen des Faserverbund-Bauteils erreicht worden ist undFasern oder Faserrückstände aus dem Schnittspalt mechanisch entfernt werden.Method for separating or forming a kerf in fiber composite components, in particular carbon fiber composite components, with laser radiation, in which two limiting cuts are arranged at a definable distance from one another, which predetermines the width of a complete kerf to be formed in the fiber composite component, with one or two laser beams, which are deflected along a predetermined cutting contour, are formed and after the two limiting cuts have been made, the laser beam or another laser beam with its focal spot is moved along the cutting contour and the cutting gap is formed, with the limiting cuts being formed with a smaller gap width than that of the cutting gap and with a higher power density in the focal spot, a smaller cross-sectional area of the respective focal spot and/or a lower feed movement speed of the focal spot of one or the two laser beams is maintained when making the limiting cuts than is the case when forming a temporary cutting gap between the limiting cuts with the one or more other laser beams so that when the boundary cuts are made, a polymeric matrix material in which fibers are embedded is completely severed and fibers are severed at least in such a way that fiber residues can be removed from the kerf when the temporary kerf is formed or thereafter and during the formation of the temporary kerf with one or the other laser beam only polymeric matrix material is removed and fibers or fiber residues are exposed and the formation of the temporary incision gap is repeated until a predetermined depth of the complete incision gap or a complete severing of the fiber composite component has been reached and fibers or fiber residues from the The kerf can be removed mechanically.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von oder der Ausbildung eines Schnittspaltes in Faserverbund-Bauteilen, insbesondere Kohlenstofffaserverbund-Bauteilen mit Laserstrahlung.The invention relates to a method for separating or forming a kerf in fiber composite components, in particular carbon fiber composite components, using laser radiation.
Die Schnittspaltausbildung bei der Laserbearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen ist durch wellenlängenabhängige Absorptionsunterschiede in den einzelnen Verbundwerkstoffbestandteilen (Fasern/Matrix) beeinflusst. Gleichzeitig führen Unterschiede in den Schmelz- bzw. Sublimationstemperaturen der unterschiedlichen Einzelbestandteile Fasern und polymere Matrix zu Herausforderungen bei einer schädigungsarmen und gleichzeitig produktiven Ausbildung der Schnittkanten.The formation of the kerf during the laser processing of fiber-reinforced plastics is influenced by wavelength-dependent absorption differences in the individual composite material components (fibers/matrix). At the same time, differences in the melting or sublimation temperatures of the different individual components, fibers and polymeric matrix, lead to challenges in forming the cut edges with little damage and at the same time productively.
Besonders bei kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen liegen die notwendigen Temperaturen zur Zersetzung der Einzelbestandteile weit auseinander (Größenordnung 2000 K). Für eine schädigungsarme Trennung des Verbundes werden daher vorzugsweise Laserwellenlängen im NIR-Bereich (in Kombination mit schnellen Laserstrahlablenkeinheiten) verwendet, da eine nahezu vollständige Absorption der Strahlung im reinen Kohlenstoff und nur geringe Absorptionswerte in den Kunststoffbestandteilen erreicht werden. Durch die große Differenz in den notwendigen Zersetzungstemperaturen und der im Unterschied zu den Kunststoffanteilen hohen Wärmeleitfähigkeit der Kohlenstofffasern kann es jedoch trotz der Absorptionsunterschiede aufgrund von Wärmeleitungsprozessen zu einem Wärmeüberschuss in der polymeren Matrix und damit zu einer Matrixschädigung kommen. Speziell bei dickwandigen Bauteilen und einer damit verbundenen Erhöhung der Anzahl an repetitiven Abtragszyklen kann sich das o.g. Schädigungsverhalten potenzieren. Gleichzeitig können bei einer Unterschreitung der notwendigen Zersetzungsintensität an den Kohlenstofffasern in Kombination mit einem ungünstigen Einstrahlwinkel eines Laserstrahls an der Oberfläche der Einzelfasern Reflexionsvorgänge im Schnittspalt auftreten. Eine damit verbundene Temperaturerhöhung im Polymer führt erneut zu einer Verstärkung des Schädigungseffektes.In the case of carbon fiber reinforced plastics in particular, the temperatures required to decompose the individual components are far apart (of the order of 2000 K). Laser wavelengths in the NIR range (in combination with fast laser beam deflection units) are therefore preferably used for low-damage separation of the composite, since almost complete absorption of the radiation in the pure carbon and only low absorption values in the plastic components are achieved. Due to the large difference in the necessary decomposition temperatures and the high thermal conductivity of the carbon fibers, in contrast to the plastic parts, there can be an excess of heat in the polymer matrix due to heat conduction processes, despite the differences in absorption, and this can lead to matrix damage. Especially with thick-walled components and an associated increase in the number of repetitive removal cycles, the above-mentioned damage behavior can increase. At the same time, if the decomposition intensity on the carbon fibers falls below the required level, in combination with an unfavorable angle of incidence of a laser beam on the surface of the individual fibers, reflection processes can occur in the kerf. An associated increase in temperature in the polymer again leads to an increase in the damage effect.
Mit zunehmender Bauteildicke führt der beschriebene Reflexionseffekt in Verbindung mit sehr klein fokussierten Laserstrahlen im Schnittspalt weiterhin dazu, dass die erzeugte Schnittkerbe an der Oberfläche zu schmal ist und Teile des Laserstrahls beim Eintritt in den Schnittpalt abgeschattet werden. Dadurch reicht die Intensität im Schnittspaltgrund nicht mehr aus und insbesondere die Fasern können nicht mehr verdampft oder thermisch zersetzt werden.As the component thickness increases, the reflection effect described in connection with very small focused laser beams in the cutting gap also means that the cutting notch produced on the surface is too narrow and parts of the laser beam are shadowed when it enters the cutting gap. As a result, the intensity at the bottom of the kerf is no longer sufficient and the fibers in particular can no longer be vaporized or thermally decomposed.
Eine Möglichkeit, um dennoch dickere Bauteile zu durchtrennen, ist die Verbreiterung des Schnittspaltes durch eine gleichmäßige Verteilung von mehreren Abtragskonturen nebeneinander, sodass bis zum Schnittspaltgrund keine Abschattung des Laserstrahls durch die Schnittspaltflanken erfolgt. Die verwendeten Abstände und Anzahlen der nebeneinander liegenden Abtragskonturen ist dabei von der Bauteildicke und der Laserstrahlbrennfleckquerschnittsfläche abhängig.One way to cut through thicker components is to widen the cutting gap by evenly distributing several removal contours next to each other so that the laser beam is not shadowed by the edges of the cutting gap up to the bottom of the cutting gap. The distances used and the number of ablation contours lying next to one another depend on the component thickness and the cross-sectional area of the laser beam focal spot.
Ein bei dem oben beschriebenen Prinzip der Aufweitung des Schnittspaltes beobachteter Effekt ist die Freilegung von einzelnen Faserbündeln im Schnittspaltgrund. Die an den Randbereichen der jeweiligen aneinander liegenden Konturlinien auftreffende Laserstrahlung ist hierbei nicht ausreichend hoch um den Faserwerkstoff zu verdampfen.An effect observed with the above-described principle of widening the kerf is the exposure of individual fiber bundles in the base of the kerf. The laser radiation impinging on the edge areas of the respective contour lines lying next to one another is not high enough to vaporize the fiber material.
Dabei ist es besonders nachteilig, dass neben des erhöhten zeitlichen Aufwandes für die Laserstrahlführung in mehreren nebeneinander angeordneten Spuren, auch die Schnittkanten ungleichmäßig ausgebildet werden und Faserreste in den fertig ausgebildeten Schnittspalt hineinragen und/oder sich an den Schnittkanten Krater ausgebildet werden, so dass die Schnittkantenqualität nachteilig beeinflusst wird.It is particularly disadvantageous that, in addition to the increased time required for the laser beam guidance in several tracks arranged next to one another, the cut edges are also formed unevenly and fiber residues protrude into the finished cutting gap and/or craters are formed on the cut edges, so that the cut edge quality is adversely affected.
So ist aus
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine effektive Trennung von Faserverstärkten-Bauteilen, insbesondere Kohlenstofffaserverstärkten-Bauteilen anzugeben, bei denen auch die Qualität der ausgebildeten Schnittkantenflächen bei größeren Schnittspalttiefen bzw. dicken Faserverbund-Bauteilen verbessert werden kann.It is therefore the object of the invention to specify possibilities for an effective separation of fiber-reinforced components, in particular carbon-fiber-reinforced components, in which the quality of the cutting edge surfaces formed can also be improved with larger cutting gap depths or thick fiber composite components.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.According to the invention, this object is achieved with a method having the features of claim 1. Advantageous refinements and developments of the invention can be implemented with features identified in the dependent claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zwei in einem, die Breite eines im oder durch das Faserverbund-Bauteil auszubildenden vollständigen Schnittspaltes vorgebenden Abstand zueinander angeordnete Begrenzungsschnitte mit einem oder zwei Laserstrahlen, die entlang einer vorgegebenen Schneidkontur ausgelenkt werden, ausgebildet.In the method according to the invention, two limiting cuts arranged at a distance from one another that predetermines the width of a complete cutting gap to be formed in or through the fiber composite component are made with one or two laser beams that are deflected along a predetermined cutting contour.
Nach Ausbildung der zwei Begrenzungsschnitte wird der oder ein weiterer Laserstrahl mit seinem Brennfleck, der Schneidkontur folgend bewegt und dabei ein temporärer Schnittspalt ausgebildet, wobei die Begrenzungsschnitte mit einer kleineren Spaltbreite als der des temporären Schnittspaltes ausgebildet werden.After the two limiting cuts have been made, the laser beam or another laser beam is moved with its focal spot following the cutting contour, thereby forming a temporary cutting gap, with the limiting cuts being made with a smaller gap width than that of the temporary cutting gap.
Dabei wird eine höhere Leistungsdichte im Brennfleck, eine kleinere Querschnittsfläche des jeweiligen Brennflecks und/oder eine kleinere Vorschubbewegungsgeschwindigkeit des Brennflecks des einen oder der zwei Laserstrahlen bei der Ausbildung des Begrenzungsschnitte eingehalten, als dies bei der Ausbildung des temporären Schnittspaltes zwischen den Begrenzungsschnitten mit dem oder dem weiteren Laserstrahl der Fall ist, so dass bei der Ausbildung der Begrenzungsschnitte ein polymerer Matrixwerkstoff, in dem Fasern eingebettet sind, vollständig und Fasern zumindest nahezu vollständig durchtrennt werden und
bei der Ausbildung des temporären Schnittspaltes mit dem einen oder dem weiteren Laserstrahl lediglich polymerer Matrixwerkstoff entfernt wird und
diese Vorgänge so oft wiederholt werden, bis eine vorgegebene Tiefe des vollständigen Schnittspaltes oder ein vollständiges Durchtrennen des Faserverbund-Bauteils erreicht worden ist. Dies kann mit mehreren nacheinander durchgeführten Überfahrungen der jeweiligen Brennflecke erreicht werden.A higher power density in the focal spot, a smaller cross-sectional area of the respective focal spot and/or a lower feed movement speed of the focal spot of one or the two laser beams is maintained when making the boundary cuts than when forming the temporary cutting gap between the boundary cuts with the or the another laser beam is the case, so that when the boundary cuts are formed, a polymeric matrix material in which fibers are embedded is completely severed and fibers are at least almost completely severed and
during the formation of the temporary incision gap with one or the other laser beam, only polymeric matrix material is removed and
these processes are repeated until a predetermined depth of the complete cutting gap or a complete severing of the fiber composite component has been reached. This can be achieved by passing over the respective focal spots several times in succession.
Fasern oder Faserrückstände werden aus dem Schnittspalt im Anschluss an seine Ausbildung mechanisch entfernt. Dies kann während der Bearbeitung kontinuierlich nach jeder Überfahrung mit dem Laserstrahl oder weiteren Laserstrahl mit dem der eigentliche Schnittspalt ausgebildet wird, kontinuierlich, sukzessive oder erst am Ende der Bearbeitung, bei dem der vollständige Schnittspalt fertig ausgebildet worden ist, erfolgen. Bei großen Schnittspalttiefen sollte die mechanische Entfernung zumindest nach dem Abtrag von mindestens 1 mm Matrixwerkstoff oder mindestens ab Erreichen eines Werkstoffabtrags, der größer als der Faserdurchmesser ist, im temporären Schnittspalt durchgeführt werden. Bevorzugt kann die mechanische Entfernung mittels Abblasen, Absaugen und/oder unter Ausnutzung des Expansionsdruckes, der bei der Verdampfung von Werkstoff auftritt, erreicht werden.Fibers or fiber debris are mechanically removed from the kerf following its formation. This can be done continuously during the processing after each pass with the laser beam or another laser beam with which the actual cutting gap is formed, continuously, successively or only at the end of the processing, in which the complete cutting gap has been completely formed. In the case of large kerf depths, the mechanical removal should be carried out in the temporary kerf at least after the removal of at least 1 mm of matrix material or at least when material removal is greater than the fiber diameter. The mechanical removal can preferably be achieved by means of blowing off, suction and/or using the expansion pressure that occurs when the material evaporates.
Bei einem zumindest nahezu vollständiges Durchtrennen der Fasern bei der Ausbildung der Begrenzungsschnitte soll Faserwerkstoff soweit entfernt werden, dass die Faserreste bei der Ausbildung des temporären Schnittspaltes oder im Anschluss daran aus dem vollständigen Schnittspalt einfach mechanisch entfernt werden können.If the fibers are at least almost completely severed during the formation of the limiting cuts, the fiber material should be removed to such an extent that the fiber residues can be easily removed mechanically from the complete kerf when the temporary kerf is formed or thereafter.
Der vollständige Schnittspalt hat die jeweils vorgegebene Breite am Ende der Bearbeitung. Diese Breite entspricht der Summe der Breiten der zwei Begrenzungsschnitte und der Breite des temporären Schnittspaltes.The complete cutting gap has the specified width at the end of processing. This width is equal to the sum of the widths of the two boundary cuts and the width of the temporary kerf.
Ein Werkstoffabtrag zur Ausbildung des temporären Schnittspaltes soll unmittelbar nach einem Werkstoffabtrag zur Ausbildung der Begrenzungsschnitte erfolgen und dies bei mehreren nacheinander durchgeführten Überfahrungen so oft wiederholt werden bis die gewünschte Tiefe des vollständigen Schnittspaltes oder das vollständige Durchtrennen des Bauteils erreicht worden ist. Dazu kann ein weiterer Laserstrahl, der mit entsprechenden Parametern betrieben wird, nachfolgend zu dem einen oder den zwei Laserstrahl(en) mit seinem Brennfleck bewegt und insbesondere ausgelenkt werden. Werden zwei Laserstrahlen zur Ausbildung der Begrenzungsschnitte eingesetzt, können diese so beeinflusst werden, dass ihre Brennflecke gleich ausgebildet sind und bevorzugt parallel zueinander sowie synchron entlang der vorgegebenen Kontur bewegt werden. Für die Einhaltung einer konstanten Breite eines vollständigen Schnittspaltes sollten die Brennfleckgeometrie und Größe der Brennfleckquerschnittsfläche sowie der Abstand des einen oder der zwei Laserstrahlen bei der Ausbildung der Begrenzungsschnitte konstant gehalten werden.Material removal to form the temporary cutting gap should take place immediately after material removal to form the limiting cuts and this should be repeated with several successive passes until the desired depth of the complete cutting gap or complete severing of the component has been reached. For this purpose, a further laser beam, which is operated with corresponding parameters, can subsequently be moved and, in particular, deflected to the one or the two laser beam(s) with its focal spot. If two laser beams are used to form the limiting cuts, they can be influenced in such a way that their focal points are formed the same and are preferably moved parallel to one another and synchronously along the specified contour. In order to maintain a constant width of a complete cutting gap, the focal spot geometry and size of the focal spot cross-sectional area as well as the distance between the one or the two laser beams should be kept constant when forming the limiting cuts.
Der eine oder die zwei Laserstrahlen mit dem/denen die Begrenzungsschnitte ausgebildet werden, sollte so auf die Oberfläche des Faserverbund- Bauteiles bei der Ausbildung des jeweiligen Begrenzungsschnittes gerichtet werden, dass eine Leistungsdichte im Brennfleck von mindestens 1 * 1011 W/m2 und eine Vorschubbewegungsgeschwindigkeit des/der Brennflecke(s) von mindestens 1 m/s eingehalten werden.The one or two laser beams with which the boundary cuts are formed should be directed onto the surface of the fiber composite component when forming the respective boundary cut in such a way that a power density in the focal spot of at least 1 * 10 11 W/m 2 and a feed movement speed of the focal spot(s) of at least 1 m/s must be maintained.
Vorteilhaft sollte(n) eine Leistungsdichte im Brennfleck bei der Ausbildung der Begrenzungsschnitte, die mindestens zweifach größer als die Leistungsdichte des Brennflecks des oder des weiteren Laserstrahls bei der Ausbildung des temporären Schnittspaltes ist,
eine Querschnittsfläche des Brennflecks bei der Ausbildung der Begrenzungsschnitte, die maximal halb so groß, wie die Querschnittsfläche des Brennflecks bei der Ausbildung des temporären Schnittspaltes ist,
und/oder
eine Vorschubbewegungsgeschwindigkeit des Brennflecks bei der Ausbildung der Begrenzungsschnitte, die maximal halb so groß, wie die Vorschubbewegungsgeschwindigkeit des Brennflecks bei der Ausbildung des temporären Schnittspaltes ist, eingehalten werden.Advantageously, a power density in the focal spot during the formation of the boundary cuts should be at least twice as high as the power density of the focal spot of the laser beam(s) during the formation of the temporary incision gap,
a cross-sectional area of the focal spot when the delimiting cuts are formed that is at most half the size of the cross-sectional area of the focal spot when the temporary incision gap is formed,
and or
a feed movement speed of the focal spot during the formation of the boundary cuts, which is at most half the feed movement speed of the focal spot during the formation of the temporary cutting gap, can be maintained.
Die lichte Weite des Brennflecks bei der Ausbildung des temporären Schnittspaltes sollte senkrecht zu seiner Vorschubbewegungsrichtung oder dessen Durchmesser sollte der Breite des auszubildenden temporären Schnittspaltes entsprechen. Dadurch kann gesichert werden, dass ein temporärer und am Ende der Bearbeitung vollständiger Schnittspalt zwar durch mehrfaches Überfahren aber ohne mehrere nebeneinander angeordnete Spuren ausgebildet werden kann.The clear width of the focal spot in the formation of the temporary kerf should be perpendicular to its direction of feed movement or its diameter should correspond to the width of the temporary cutting gap to be formed. It can thereby be ensured that a temporary incision gap, which is complete at the end of the processing, can be formed by driving over it several times, but without several tracks arranged next to one another.
Zumindest bei der Ausbildung der Begrenzungsschnitte sollte die Position der Ebene, in der der Brennpunkt des jeweiligen Laserstrahls angeordnet ist, der bis zum jeweiligen Zeitpunkt entfernten Materialmenge ausgehend von der Oberfläche des Bauteils von der die Begrenzungsschnitte und der temporäre Schnittspalt ausgebildet werden, berücksichtigend bei nachfolgend durchgeführten Überfahrten angepasst werden. Dadurch können eine konstante Schnittspaltbreite über die gesamte Tiefe des vollständigen Schnittspalts ermöglicht und konstante energetische Verhältnisse beim Werkstoffabtrag eingehalten werden. Die Brennpunktebene sollte dabei so in ihrer Position verändert werden, dass die jeweils erforderliche Leistungsdichte im Brennfleck auch bei ansteigender Tiefe der Begrenzungsschnitte und/oder des temporären Schnittspaltes zumindest nahezu konstant gehalten werden kann.At least when making the limiting cuts, the position of the plane in which the focal point of the respective laser beam is arranged should take into account the amount of material removed up to the respective point in time, starting from the surface of the component from which the limiting cuts and the temporary cutting gap are made, taking into account the following crossings are adjusted. As a result, a constant cutting gap width over the entire depth of the complete cutting gap can be made possible and constant energetic conditions can be maintained during material removal. The position of the focal plane should be changed in such a way that the required power density in the focal spot can be kept at least almost constant even with increasing depth of the limiting cuts and/or the temporary cutting gap.
Begrenzungsschnitte sollten mit einer Breite senkrecht in Bezug zu ihren Längsachsen von maximal 1 mm, bevorzugt maximal 0,5 mm und der temporäre Schnittspalt mindestens doppelt so breit ausgebildet werden. Limiting incisions should be made with a width perpendicular to their longitudinal axes of no more than 1 mm, preferably no more than 0.5 mm, and the temporary incision gap should be at least twice as wide.
Vorteilhaft ist es auch, wenn man für die Ausbildung der Begrenzungsschnitte Laserstrahlung mit einer Wellenlänge, die im Bereich 950 nm bis 1100 nm liegt und für die Ausbildung des temporären Schnittspaltes Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von mindestens 950 nm, bevorzugt 1030 nm bis 1070 nm oder 10600 nm einsetzt, wodurch eine wellenlängenselektive Absorption der unterschiedlichen Werkstoffe für die Fasern und die polymere Matrix berücksichtigt werden kann.It is also advantageous if laser radiation with a wavelength in the range of 950 nm to 1100 nm is used to form the boundary cuts and laser radiation with a wavelength of at least 950 nm, preferably 1030 nm to 1070 nm or 10600 nm, for the formation of the temporary incision gap nm is used, whereby a wavelength-selective absorption of the different materials for the fibers and the polymeric matrix can be taken into account.
Bei der Erfindung macht man sich zunutze, dass bei der Faserfreilegung beim aneinanderlegen mehrerer Laserlinien und der damit verbundenen Wirkungsgradsteigerung eine primäre Durchtrennung oder Schwächung der Fasern nur am Randbereich des vollständigen Schnittspaltes notwendig ist und die Entfernung des dazwischenliegenden polymeren Verbundmaterials bereits durch eine Auflösung der Verbindung von Faser und polymerer Matrix erreicht werden kann. Durch die deutlich geringere Verdampfungs- bzw. thermische Zersetzungstemperatur der polymeren Matrix lassen sich so potentiell einerseits die Prozesszeit verkürzen und andererseits der Energie- und Wärmeeintrag in den Werkstoffverbund verringern.The invention makes use of the fact that when fibers are exposed when several laser lines are placed next to each other and the associated increase in efficiency, a primary severing or weakening of the fibers is only necessary at the edge area of the complete cutting gap and the removal of the polymer composite material in between is already done by dissolving the connection of Fiber and polymeric matrix can be achieved. Due to the significantly lower evaporation or thermal decomposition temperature of the polymeric matrix, the process time can potentially be shortened on the one hand and the energy and heat input into the composite material reduced on the other.
Dabei kann die Ausnutzung von wellenlängenabhängigen Absorptionsunterschieden hierbei Vorteile bieten. Mit der gezielten Nutzung des wellenlängenselektiven Absorptionsvorteils unterschiedlicher Wellenlängen können Vorteile beim selektiven Verdampfen oder thermischen Zersetzen von Faser- und Matrixwerkstoff erreicht werden.Here, the utilization of wavelength-dependent absorption differences can offer advantages. With the targeted use of the wavelength-selective absorption advantage of different wavelengths, advantages can be achieved in the selective evaporation or thermal decomposition of fiber and matrix material.
Es besteht auch die Möglichkeit, eine Veränderung der Laserstrahlquerschnittsgeometrie oder der Größe der Querschnittsfläche des Brennflecks vorzunehmen, was mit geeigneten optischen Elementen, die im Strahlengang des jeweiligen Laserstrahls angeordnet werden können, erreicht werden kann. So können optische Linsen zur Veränderung der Position der Brennpunktebene und/oder der Strahlgeometrie dazu eingesetzt werden. Beispiele sind eine oder mehrere fokussierende Linsen bzw. Zylinderlinsen.There is also the possibility of changing the cross-sectional geometry of the laser beam or the size of the cross-sectional area of the focal spot, which can be achieved with suitable optical elements that can be arranged in the beam path of the respective laser beam. Optical lenses can be used to change the position of the focal plane and/or the beam geometry. Examples are one or more focusing lenses or cylindrical lenses.
Bei Einsatz der Erfindung ist es nicht erforderlich alle Fasern vollständig mittels Phasenumwandlung aus dem temporären Schnittspalt zu entfernen. Es ist ausreichend Fasern lediglich aus dem polymeren Matrixwerkstoff herauszulösen oder freizulegen und dies dann im festen Aggregatzustand zu entfernen. Dies hat zum Vorteil, dass die erforderliche Energie reduziert werden kann, da eine vollständige Werkstoffsublimation von Werkstoffen mit hohen Phasenumwandlungstemperaturen, insbesondere hohen Siedetemperaturen nicht für das gesamte Werkstoffvolumen des auszubildenden vollständigen Schnittspaltes erforderlich ist.When using the invention, it is not necessary to completely remove all fibers from the temporary kerf by means of phase change. It is sufficient merely to detach or expose fibers from the polymeric matrix material and then to remove them in the solid aggregate state. This has the advantage that the energy required can be reduced, since complete material sublimation of materials with high phase transformation temperatures, in particular high boiling temperatures, is not required for the entire material volume of the complete cutting gap to be formed.
Mit dem geringeren erforderlichen Energieeintrag kann die Schnittkantenqualität verbessert und eine Reduzierung der Ausdehnung der Wärmeeinflusszone im Bauteil erreicht werden.With the lower required energy input, the cut edge quality can be improved and a reduction in the expansion of the heat-affected zone in the component can be achieved.
Es ist ein Trennen von Bauteilen mit einer größeren Dicke bzw. die Ausbildung von vollständigen Schnittspalten mit größerer Tiefe, von insbesondere mehr als 4 mm möglich.It is possible to separate components with a greater thickness or to form complete cut gaps with a greater depth, in particular more than 4 mm.
Bei einem Trennen eines Faserverbund-Bauteils, das mit Kohlenstofffasern, die in einer polymeren Matrix aus Epoxidharz mit 8 übereinander angeordneten Lagen und einem Faservolumenanteil von 55 Vol.-% eingebettet waren und das eine Dicke von 5 mm aufwies, wurden Begrenzungsschnitte unter Einhaltung folgender Parameter:
- Laserleistung: 2000 W, Vorschubbewegungsgeschwindigkeit: 3 m/s, Brennfleckdurchmesser 50 µm, Wellenlänge 1070 nm, beidseitig 30 Überfahrungen, Linienabstand 250 µm eingehalten.
- Laser power: 2000 W, feed movement speed: 3 m/s, focal spot diameter 50 µm, wavelength 1070 nm, 30 passes on both sides, line spacing 250 µm maintained.
Für die Ausbildung des Schnittspalts zwischen Begrenzungsschnitten wurden folgende Parameter eingehalten:
- Laserleistung: 2000 W, Vorschubbewegungsgeschwindigkeit: 3 m/s, Brennfleckdurchmesser 200 µm, Wellenlänge 1070 nm, 30 Überfahrungen.
- Laser power: 2000 W, feed movement speed: 3 m/s, focal spot diameter 200 µm, wavelength 1070 nm, 30 passes.
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