DE102021209597B4 - Method for producing a connection with improved positive locking - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer Verbindung mit verbessertem Formschluss, bei dem auf eine Oberfläche eines Halbzeugs, das aus einem Faser-Verbund-Kunststoff-Werkstoff besteht, eine Beschichtung eines Beschichtungsmaterials ausgebildet werden soll, ein Laserstrahl auf diese Oberfläche gerichtet wird, und damit so bearbeitet wird, dass durch einen Abtrag des Matrixmaterials, mit dem jeweilige Fasern den Faser -Kunststoff-Verbundwerkstoff bildend und in dem die Fasern eingebettet sind, diese Oberfläche aufgeraut und dort die spezifische Oberfläche vergrößert wird undwährend des oder im Anschluss an den Abtrag des Matrixmaterials die Oberfläche mit elektromagnetischer Strahlung in mindestens einem Oberflächenbereich beleuchtet und mit mindestens einem optischen Sensor die emittierte und/oder reflektierte elektromagnetische Strahlung in einem für das Matrixmaterial und/oder dem Werkstoff aus dem die jeweiligen Fasern bestehen charakteristischen Wellenlängenbereich detektiert und berücksichtigt sowie spektralaufgelöst erfasst und mittels detektierter Intensität mindestens einer Wellenlänge der emittierten und/oder reflektierten elektromagnetischen Strahlung der Abtrag an Matrixmaterial überwacht wird, wobei im Fall a), dass für mindestens eine vorgegebene Wellenlänge der detektierten elektromagnetischen Strahlung ein erster vorgegebener Schwellwert erreicht oder überschritten worden ist, das jeweilige Halbzeug als Ausschuss aussortiert oder ein entsprechender Bereich des Halbzeugs entfernt und die stoff- und/oder formschlüssige Verbindung mit der Beschichtung nicht ausgebildet wird oderim Fall b), dass durch Unterschreiten eines zweiten Schwellwertes erkannt wird, dass ein zu geringer Materialabtrag an Matrixmaterial erfolgt ist, eine Nachbearbeitung durch erneute Bestrahlung mit dem Laserstrahl durchgeführt wird, bei der weiteres Matrixmaterial abgetragen wird oder eine Anpassung von Betriebsparametern, mit denen der Laserstrahl auf die jeweilige Oberfläche gerichtet wird, durchgeführt wird, bis der zweite Schwelwert, der emittierten und/oder reflektierten elektromagnetischen Strahlung überschritten worden und der Fall a) noch nicht eingetreten ist unddann die Verbindung mit dem Beschichtungsmaterial mit einem Beschichtungsverfahren ausgebildet wird.Method for producing a connection with improved positive locking, in which a coating of a coating material is to be formed on a surface of a semi-finished product consisting of a fiber composite plastic material, a laser beam is directed onto this surface and is thus processed that by removing the matrix material, with which the respective fibers form the fiber-plastic composite material and in which the fibers are embedded, this surface is roughened and the specific surface area is increased there and during or following the removal of the matrix material, the surface is also increased electromagnetic radiation illuminated in at least one surface area and the emitted and / or reflected electromagnetic radiation is detected and taken into account with at least one optical sensor in a wavelength range that is characteristic of the matrix material and / or the material from which the respective fibers are made, and recorded in a spectrally resolved manner and at least by means of detected intensity a wavelength of the emitted and/or reflected electromagnetic radiation, the removal of matrix material is monitored, whereby in case a) that a first predetermined threshold value has been reached or exceeded for at least one predetermined wavelength of the detected electromagnetic radiation, the respective semi-finished product is sorted out as rejects or a corresponding area of the semi-finished product is removed and the material and/or form-fitting connection with the coating is not formed or, in case b), that by falling below a second threshold value it is recognized that too little material has been removed from the matrix material, post-processing by renewed irradiation is carried out with the laser beam, in which further matrix material is removed or an adjustment of operating parameters with which the laser beam is directed onto the respective surface is carried out until the second threshold value of the emitted and / or reflected electromagnetic radiation has been exceeded and the case a) has not yet occurred and then the connection with the coating material is formed using a coating process.
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung einer Verbindung mit verbessertem Formschluss, bei dem auf eine Oberfläche eines Halbzeugs, das aus einem Faser-Kunststoff-Verbund besteht eine Beschichtung ausgebildet werden soll. Als Beschichtungsmaterial können Metalle, Keramiken oder auch andere Kunststoffe, als auch die, mit denen der jeweilige Faser-Kunststoff-Verbund gebildet ist, eingesetzt werden.The invention relates to a method for producing a connection with improved positive locking, in which a coating is to be formed on a surface of a semi-finished product that consists of a fiber-plastic composite. Metals, ceramics or other plastics, as well as those with which the respective fiber-plastic composite is formed, can be used as the coating material.
Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) werden laserstrukturiert um eine optimale Oberflächenstruktur für optimale Verbindungsfestigkeiten in unterschiedlichen Fügeverfahren zu erlangen, bspw. Kleben, Beschichten, Spritzgießen etc.Fiber-plastic composites (FRP) are laser structured to achieve an optimal surface structure for optimal connection strength in different joining processes, e.g. gluing, coating, injection molding, etc.
Die Menge an Kunststoffschicht über der obersten Faserlage unterliegt fertigungsbedingt Schwankungen von mehreren Mikrometer Dicke. Außerdem ist die Anordnung der Fasern innerhalb des jeweiligen Matrixmaterials häufig weder bekannt noch von außen ohne weiteres erkennbar. Bei der Laserbearbeitung erzielt man folglich unter Verwendung der gleichen Laserparameter unterschiedliche Ergebnisse der Oberflächenstrukturierung an einer Oberfläche eines Bauteils, das anschließend an dieser Oberfläche mit einem anderen Bauteil verbunden oder dort beschichtet werden soll, einerseits lokal innerhalb eines Oberflächenbereichs als auch zwischen unterschiedlichen Chargen solcher Bauteile.The amount of plastic layer over the top fiber layer is subject to manufacturing-related fluctuations of several micrometers in thickness. In addition, the arrangement of the fibers within the respective matrix material is often neither known nor easily recognizable from the outside. In laser processing, using the same laser parameters, different surface structuring results are achieved on a surface of a component, which is then to be connected to another component on this surface or coated there, on the one hand locally within a surface area and between different batches of such components.
Ein ungleichmäßiger Materialabtrag behindert die großflächige Etablierung der Technologie und der FKV-Materialien in der Industrie, da dieser zu Festigkeitseinbußen führt, die sowohl das jeweilige Bauteil als auch die Verbindung zwischen Bauteil und einer Beschichtung betreffen kann. Die Festigkeit und insbesondere die Haftfestigkeit einer Beschichtung kann durch eine Aufrauhung der Oberfläche mit einer Vergrößerung der spezifischen Oberfläche, die einen verbesserten Formschluss und ggf. einen Kraftschluss bewirkt, erhöht werden.Uneven material removal hinders the large-scale establishment of the technology and FRP materials in industry, as this leads to loss of strength, which can affect both the respective component and the connection between the component and a coating. The strength and in particular the adhesive strength of a coating can be increased by roughening the surface with an increase in the specific surface area, which brings about an improved positive fit and possibly a frictional fit.
Eine entsprechende Oberflächenvorbehandlung wird häufig durch Plasmaeinwirkung, mechanischem Strahlen, Schleifen oder chemischen Ätzen durchgeführt. Eine Laserbearbeitung bietet hiergegenüber eine Vielzahl an Vorteilen und zeigt mit Abstand die besten Haftkennwerte bei Klebe-, Spritzverbindungen als auch bei thermischen Spritzschichten.Appropriate surface pretreatment is often carried out using plasma, mechanical blasting, grinding or chemical etching. Laser processing offers a variety of advantages and shows by far the best adhesion characteristics for adhesive, sprayed connections as well as thermal sprayed layers.
Bei der Laserbearbeitung wird bislang nach einer visueller/optischer Prüfung, ggf. ergänzt mit einer profilometrischen Messung am Mikroskop, eine Anpassung der Laserparameter durchgeführt. Dies erfolgt zumeist auf Basis subjektiver Bewertung des jeweiligen Bearbeiters, was zu Fehlern und Ausschuss führt und zudem einen hohen Zeitaufwand bedeutet, falls das Bauteil dazu aus dem Bauraum entnommen werden muss.In laser processing, an adjustment of the laser parameters has so far been carried out after a visual/optical inspection, possibly supplemented by a profilometric measurement on a microscope. This is usually done on the basis of the subjective assessment of the respective processor, which leads to errors and scrap and also means a lot of time expenditure if the component has to be removed from the installation space.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, mit denen ein Materialabtrag an einer Oberfläche eines Halbzeugs, das aus einem FKV besteht und an der Oberfläche eine Beschichtung definiert und reproduzierbar ausgebildet werden soll, so dass Ausschuss möglichst durch gezielte Einflussnahme auf den Materialabtrag vermieden werden kann.It is therefore the object of the invention to provide options with which material removal on a surface of a semi-finished product which consists of an FRP and a coating on the surface is to be formed in a defined and reproducible manner, so that rejects can be avoided if possible by specifically influencing the material removal can.
So ist
J. Gebauer u.a. beschreiben in:
Anwendungen zur Prozessüberwachung von Faser-Verstärkten Verbundwerkstoffen kann man
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.According to the invention, this object is achieved with a method which has the features of claim 1. Advantageous designs and further developments can be achieved with features specified in dependent claims.
Bei dem Verfahren wird ein Halbzeug, das aus einem Faser- Kunststoff-Verbund besteht, auf eine Oberfläche, auf der eine Beschichtung eines Beschichtungsmaterials ausgebildet werden soll, ein Laserstrahl gerichtet wird, und dabei so bearbeitet wird, dass durch einen Abtrag von Matrixmaterial, mit dem jeweilige Fasern den Faser-Kunststoff-Verbund bilden und in dem die Fasern eingebettet sind, diese Oberfläche aufgeraut und dort die spezifische Oberfläche vergrößert wird. Dabei können Fasern zumindest teilweise freigelegt werden. Es sollte jedoch eine Schädigung der Fasern durch Abtrag von Faserwerkstoff zumindest weitestgehend vermieden werden.In the process, a semi-finished product, which consists of a fiber-plastic composite, is directed onto a surface on which a coating of a coating material is to be formed, a laser beam is directed, and is processed in such a way that the matrix material is removed in which the respective fibers form the fiber-plastic composite and in which the fibers are embedded, this surface is roughened and the specific surface area is increased there. Fibers can be at least partially exposed. However, there should be damage to the fibers due to erosion of fiber material can be at least largely avoided.
Während des oder im Anschluss an den Abtrag des Matrixmaterials wird die Oberfläche mit elektromagnetischer Strahlung in mindestens einem Oberflächenbereich beleuchtet und mit mindestens einem optischen Sensor die emittierte und/oder reflektierten elektromagnetischen Strahlung spektralaufgelöst erfasst.During or following the removal of the matrix material, the surface is illuminated with electromagnetic radiation in at least one surface area and the emitted and/or reflected electromagnetic radiation is recorded with spectral resolution using at least one optical sensor.
Mittels detektierter Intensität mindestens einer Wellenlänge der emittierte und/oder reflektierten elektromagnetischen Strahlung wird der Abtrag an Matrixmaterial überwacht.The removal of matrix material is monitored by means of the detected intensity of at least one wavelength of the emitted and/or reflected electromagnetic radiation.
Dabei wird in einem Fall a), bei dem für mindestens eine vorgegebene Wellenlänge der detektierten elektromagnetischen Strahlung ein erster vorgegebener Schwellwert erreicht oder überschritten worden ist, das jeweilige Halbzeug als Ausschuss aussortiert oder ein entsprechender Bereich des Halbzeugs entfernt und die Verbindung mit der Beschichtung nicht ausgebildet.In a case a), in which a first predetermined threshold value has been reached or exceeded for at least one predetermined wavelength of the detected electromagnetic radiation, the respective semi-finished product is sorted out as scrap or a corresponding area of the semi-finished product is removed and the connection with the coating is not formed .
Bei einem Fall b), bei dem das durch Unterschreiten eines zweiten Schwellwertes erkannt wird, so dass ein zu geringer Materialabtrag an Matrixmaterial erfolgt ist, wird eine Nachbearbeitung durch erneute Bestrahlung mit dem Laserstrahl durchgeführt, bei der weiteres Matrixmaterial abgetragen wird oder eine Anpassung von Betriebsparametern, mit denen der Laserstrahl auf die jeweilige Oberfläche gerichtet wird durchgeführt wird, bis der zweite Schwellwert, der emittierten und/oder reflektierten elektromagnetischen Strahlung erreicht oder überschritten und der Fall a) noch nicht eingetreten ist, dann die Verbindung mit dem Beschichtungsmaterial mit einem Beschichtungsverfahren ausgebildet wird.In case b), in which this is detected by falling below a second threshold value, so that too little matrix material has been removed, post-processing is carried out by renewed irradiation with the laser beam, in which further matrix material is removed or an adjustment of operating parameters , with which the laser beam is directed onto the respective surface, is carried out until the second threshold value of the emitted and / or reflected electromagnetic radiation is reached or exceeded and case a) has not yet occurred, then the connection with the coating material is formed using a coating process becomes.
Bei einer Anpassung von Betriebsparametern im Fall b) kann man beispielsweise die Leistung einer Laserstrahlungsquelle, die Energie bzw. Leistung im Brennfleck des Laserstrahls und/oder die Vorschubbewegungsgeschwindigkeit des Brennflecks anpassen. Dabei kann eine Weiterbearbeitung durchgeführt werden, ohne dass Oberflächenbereiche, in denen zuvor ein unzureichender Materialabtrag erfolgt und der zweite Schwellwert, der emittierten und/oder reflektierten elektromagnetischen Strahlung nicht erreicht oder überschritten ist, nachbearbeitet werden, wenn die Fläche dieser Oberflächenbereiche eine kritische Größe noch nicht erreicht hat, bei der eine ausreichend große Haftfestigkeit einer nachfolgend ausgebildeten Beschichtung auf der jeweiligen Oberfläche gewährleistet werden kann, die man beispielsweise durch Versuche bestimmen kann.When adjusting operating parameters in case b), one can, for example, adjust the power of a laser radiation source, the energy or power in the focal spot of the laser beam and/or the feed movement speed of the focal spot. Further processing can be carried out without post-processing surface areas in which insufficient material has previously been removed and the second threshold value of the emitted and/or reflected electromagnetic radiation has not been reached or exceeded, if the area of these surface areas does not yet have a critical size has achieved, in which a sufficiently high adhesive strength of a subsequently formed coating on the respective surface can be guaranteed, which can be determined, for example, through tests.
Dabei soll die mindestens eine vorgegebene Wellenlänge charakteristisch für das jeweilige Matrixmaterial und/oder den jeweiligen Faserwerkstoff sein. Eine entsprechende Wellenlänge kann dabei so ausgewählt werden, dass sie bei den detektierten jeweiligen Intensitätswerten von emittierter und/oder reflektierter elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit der jeweils abgetragenen Menge an Matrixmaterial und/oder von Faserwerkstoff emittierter und/oder reflektierter elektromagnetischen Strahlung eine große Abweichung aufweist. Dabei sollte die Abweichung der Intensitätswerte mindestens 10 % betragen.The at least one predetermined wavelength should be characteristic of the respective matrix material and/or the respective fiber material. A corresponding wavelength can be selected so that it has a large deviation in the detected respective intensity values of emitted and/or reflected electromagnetic radiation depending on the amount of matrix material and/or electromagnetic radiation emitted and/or reflected from fiber material removed. The deviation of the intensity values should be at least 10%.
Die Erfassung der Intensitäten emittierter und/oder reflektierter elektromagnetischen Strahlung sollte bevorzugt ortsaufgelöst durchgeführt werden, um beispielsweise lediglich eine Entfernung von Bereichen des jeweiligen Halbzeugs erforderlich zu machen, in denen ein zu großer Matrixmaterialabtrag bzw. Faserwerkstoffabtrag erfolgt ist oder in einem entsprechenden Oberflächenbereich im Fall b) eine Lasernachbearbeitung durchgeführt werden kann. Eine ortsaufgelöste Erfassung kann mit Pyrometern, Wärmebildkameras und HSI-Kameras einfach und mit Spektroskopen aufwändiger erfolgen. Letztgenannte müssen dann nachgeführt werden.The detection of the intensities of emitted and/or reflected electromagnetic radiation should preferably be carried out in a spatially resolved manner, in order, for example, to only require the removal of areas of the respective semi-finished product in which excessive matrix material removal or fiber material removal has occurred or in a corresponding surface area in case b ) laser post-processing can be carried out. A spatially resolved recording can be carried out easily with pyrometers, thermal imaging cameras and HSI cameras and more complexly with spectroscopes. The latter must then be updated.
Mit an vorab detektierten und ausgewerteten Intensitäten emittierter und/oder reflektierter elektromagnetischen Strahlung kann eine Regelung des mit dem Laserstrahl durchgeführten Materialabtrags am jeweiligen Halbzeug und/oder nachfolgend zu bearbeitenden gleichartigen Halbzeugen durchgeführt werden.With electromagnetic radiation emitted and/or reflected at previously detected and evaluated intensities, the material removal carried out with the laser beam can be controlled on the respective semi-finished product and/or similar semi-finished products to be subsequently processed.
Zumindest bei einer Detektion, die während des Materialabtrags an Matrixmaterial durchgeführt wird, sollte zwischen der jeweiligen Oberfläche des Halbzeugs und dem mindestens einen optischen Sensor (Detektor) ein die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung des Laserstrahls sperrender optischer Filter angeordnet werden. Ein optischer Filter kann beispielsweise auch die Wellenlänge an elektromagnetischer Strahlung sperren, mit der die jeweilige Oberfläche des Halbzeugs beleuchtet wird.At least in a detection that is carried out during the material removal of matrix material, an optical filter that blocks the wavelength of the electromagnetic radiation of the laser beam should be arranged between the respective surface of the semi-finished product and the at least one optical sensor (detector). An optical filter can, for example, also block the wavelength of electromagnetic radiation with which the respective surface of the semi-finished product is illuminated.
Als optischer Sensor kann ein Spektrometer, eine Wärmebildkamera, ein Pyrometer oder eine HSI-Kamera eingesetzt werden, wobei sich eine HSI-Kamera oder eine Wärmebildkamera besonders eignen, da mit ihnen gleichzeitig eine großflächige ortsaufgelöste Detektion möglich ist.A spectrometer, a thermal imaging camera, a pyrometer or an HSI camera can be used as an optical sensor, with an HSI camera or a thermal imaging camera being particularly suitable because they simultaneously enable large-area, spatially resolved detection.
Mit dem mindestens einen optischen Sensor kann man emittierte und/oder reflektierte elektromagnetische Strahlung in einem für das Matrixmaterial und/oder den Werkstoff aus dem die jeweiligen Fasern bestehen charakteristischen Wellenlängenbereich detektiert und berücksichtigt werden. Dabei kann man insbesondere innerhalb eines Wellenlängenintervalls Intensitäten für vorgebbare Wellenlängen von der zu beschichtenden Oberfläche emittierter und/oder reflektierter elektromagnetischen Strahlung erfassen und den Verlauf von dabei detektierten Intensitätsamplituden mit vorab erfassten Verläufen von Intensitätsamplituden von vergleichbaren Oberflächen verglichen werden, um zu entscheiden ob der Fall a) oder der Fall b) erreicht worden ist.With the at least one optical sensor, emitted and/or reflected electromagnetic radiation can be detected and taken into account in a wavelength range that is characteristic of the matrix material and/or the material from which the respective fibers are made. Included In particular, within a wavelength interval, intensities for predeterminable wavelengths of electromagnetic radiation emitted and/or reflected by the surface to be coated can be recorded and the course of intensity amplitudes detected can be compared with previously recorded courses of intensity amplitudes from comparable surfaces in order to decide whether case a) or case b) has been reached.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Intensität mindestens einer charakteristischen Wellenlänge über die Zeit mit mindestens einem optischen Sensor zu detektieren und diesen Verlauf mit vorab in analoger Form erfassten Verläufen, die an vergleichbaren Oberflächen detektiert worden sind, zu vergleichen, um zu entscheiden, ob der Fall a) oder Fall b) erreicht worden ist. Für solche Messungen kann beispielsweise eine Wärmebildkamera, ein Spektroskop oder ein Pyrometer einsetzen, wie man es als Beispiel
Die Beschichtung kann nach Durchführung und Prüfung des Matrixmaterialabtrags mit dem Laserstrahl mittels thermischem Spritzen, Schweißen, Kleben, Löten, Drucken oder Spritzgießen ausgebildet werden.After carrying out and testing the matrix material removal with the laser beam, the coating can be formed using thermal spraying, welding, gluing, soldering, printing or injection molding.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise bei einem Laserstrukturieren von kohlenstofffaserverstärktem Epoxid oder glasfaserverstärkten Thermoplasten als FKV-Werkstoff durchführen.The method according to the invention can be carried out, for example, in laser structuring of carbon fiber-reinforced epoxy or glass fiber-reinforced thermoplastics as FRP material.
Mit Einsatz einer HSI-Kamera kann zu jedem Zustand ein Intensitätswert orts- und wellenlängenaufgelöst für definierte Positionen des jeweils mit dem Laserstrahl bearbeiteten Oberflächenbereichs ermittelt werden. Dies ermöglicht eine objektive und quantitativ belegbare Zuordnung des erreichten Abtragsergebnisses an Matrixmaterial. Es können unterschiedliche Strukturen in unterschiedlichen Zuständen, z.B. ein schädigender Materialabtrag bzw. Faserschädigung > Optimum > unzureichender Materialabtrag mit den zugeordneten Kennwerten aus der HSI-Messung objektiv erkannt, beurteilt und bei den Fällen a) und b) berücksichtigt werden.Using an HSI camera, an intensity value can be determined for each condition with spatial and wavelength resolution for defined positions of the surface area processed with the laser beam. This enables an objective and quantitatively verifiable assignment of the achieved removal result of matrix material. Different structures in different states, e.g. damaging material removal or fiber damage > optimum > insufficient material removal, can be objectively recognized, assessed and taken into account in cases a) and b) using the assigned characteristic values from the HSI measurement.
Dabei kann es ausreichend sein einmalig pro Material bzw. Faser -Kunststoff-Verbund eine Reihe an Strukturen an einer Oberfläche mittels Lasermaterialabtrag auszubilden, um aus ausreichend vielen HSI-Messungen Messbereiche zu ermitteln, die sich den zwei Fällen a) und b) zuordnen lassen.It may be sufficient to form a series of structures on a surface once per material or fiber-plastic composite using laser material removal in order to determine measurement ranges from a sufficient number of HSI measurements that can be assigned to the two cases a) and b).
Darüber hinaus kann man mit Hilfe einer Wärmebildkamera bzw. eines Pyrometers Amplitudenintensitätsverläufe detektieren und speichern und bei einer nachfolgenden Bewertung bzw. Regelung nutzen, die beispielsweise im Falle einer Faserschädigung einen charakteristischen Kurvenverlauf widerspiegeln.In addition, with the help of a thermal imaging camera or a pyrometer, amplitude intensity curves can be detected and stored and used in a subsequent evaluation or control, which, for example, reflect a characteristic curve in the event of fiber damage.
Ein ansonsten plateauartig verlaufender Intensitätsamplitudenverlauf kann sich im Falle einer vorhandenen Faserschädigung in einen sehr unregelmäßigen Verlauf mit vielen Intensitätsspitzen verändern. Die lokal gemessenen Maximalintensitäten bzw. mit der Wärmebildkamera bzw. einem Pyrometer gemessenen Temperaturen als auch die mittlere Oberflächentemperatur steigen signifikant im Falle einer Faserschädigung an.An otherwise plateau-like intensity amplitude curve can change into a very irregular curve with many intensity peaks in the event of existing fiber damage. The locally measured maximum intensities or temperatures measured with the thermal imaging camera or a pyrometer as well as the average surface temperature increase significantly in the event of fiber damage.
Bei einer spektroskopischen Messung werden bei der Laserbearbeitung entweder Wellenlängenspektren emittierter und/oder reflektierter elektromagnetischen Strahlung (geringe Auflösung) gemessen oder freiwerdende Partikel (hohe Auflösung) können erkannt werden, die Rückschlüsse auf Elementarlinien zulassen. Je nach Zusammensetzung des bearbeiteten Matrixmaterials bzw. der Anteile, die bei der Laserbearbeitung abgetragen oder zurückgelassen werden, bilden sich charakteristische Kurven und Maximalwerte an detektierten Intensitäten bei konkreten Wellenlängen aus.With a spectroscopic measurement during laser processing, either wavelength spectra of emitted and/or reflected electromagnetic radiation (low resolution) are measured or released particles (high resolution) can be detected, which allow conclusions to be drawn about elementary lines. Depending on the composition of the processed matrix material or the portions that are removed or left behind during laser processing, characteristic curves and maximum values of detected intensities at specific wavelengths are formed.
Das Laserstrukturieren ist eine Oberflächenvorbehandlung, die vor vielen Fügeverfahren durchgeführt wird. Im Falle eines unzureichenden oder faserschädigenden Materialabtrags sinkt i.d.R. die Haftfestigkeit der Verbunde. In der Mittel- und Großserienfertigung sind verlässliche Prozesse und Qualitätskontrollen zwingend erforderlich, da andernfalls hohe Mengen an Ausschuss produziert werden, sollten die fehlerhaft vorbehandelten FKV weiterverarbeitet werden. Diese Nachteile können mit der Erfindung vermieden werden.Laser structuring is a surface pretreatment that is carried out before many joining processes. In the event of insufficient or fiber-damaging material removal, the adhesive strength of the composites usually decreases. In medium and large series production, reliable processes and quality controls are absolutely necessary, otherwise large amounts of rejects will be produced if the incorrectly pretreated FRPs should be further processed. These disadvantages can be avoided with the invention.
Bei Feststellen von unzureichendem Abtrag kann eine Nachbearbeitung eingeleitet werden. Bauteile mit schädigendem Abtrag können als Ausschuss detektiert und bereits vor der Weiterverarbeitung aussortiert werden oder noch während der Bearbeitung eine Anpassung der Laserparameter vorgenommen werden, falls der geschädigte Bereich ausreichend klein ist, wie dies bereits weiter oben angesprochen worden ist.If insufficient material removal is discovered, post-processing can be initiated. Building Parts with damaging removal can be detected as rejects and sorted out before further processing or the laser parameters can be adjusted during processing if the damaged area is sufficiently small, as already mentioned above.
Die Laserbearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen, die an einer Oberfläche beschichtet werden sollen, kann vollautomatisiert und großserientauglich gemacht werden.The laser processing of fiber-reinforced plastics that are to be coated on a surface can be fully automated and made suitable for large-scale production.
Auf Basis von Messdaten ist es möglich, ohne Vorkenntnisse des Bearbeiters, d.h. objektiv und automatisierbar zwischen Gutteil und Schlechtteil zu unterscheiden. Hohe Mengen an Ausschuss können so verhindert, Haftfestigkeiten und Bearbeitungsdauern optimiert werden. Insbesondere die Haftfestigkeit einer Beschichtung kann durch verbesserten Formschluss positiv beeinflusst und dabei trotzdem eine gute Festigkeit des beschichteten Halbzeugs gesichert werden, da eine Schädigung von Fasern des FKV zumindest weitestgehend vermieden werden kann und die entsprechende Oberfläche definiert und reproduzierbar aufgeraut wird.Based on measurement data, it is possible to differentiate objectively and automatically between good parts and bad parts without the processor's prior knowledge. In this way, high amounts of rejects can be prevented and adhesion strengths and processing times can be optimized. In particular, the adhesive strength of a coating can be positively influenced by improved positive fit while still ensuring good strength of the coated semi-finished product, since damage to fibers of the FRP can at least largely be avoided and the corresponding surface is roughened in a defined and reproducible manner.
Die Bearbeitung hoch komplexer Bauteile oder Strukturen wird ermöglicht, indem (ggf. vollautomatisiert durch Machine Learning) eine Einteilung der Scanfelder sowie der Scanstrategie erzeugt werden kann, welche sowohl unzureichenden Materialabtrag als auch eine Schädigung der Faserverstärkung verhindern.The processing of highly complex components or structures is made possible by generating a classification of the scan fields and the scanning strategy (if necessary fully automated through machine learning), which prevent both insufficient material removal and damage to the fiber reinforcement.
Eine automatisierbare Anpassung der Laserparameter während der Oberflächenstrukturierung verhindert eine großflächige Schädigung und hilft Ausschuss bis auf Null zu reduzieren. Es kann eine enorme Steigerung der Ressourceneffizienz gewährleistet werden. Insbesondere bei einer Bearbeitung großer Bauteile kann durch bspw. Anpassung der Laserleistung Ausschuss verhindert werden, da lokale Schädigungen verkraftbar wären bzw. bei unzureichendem Abtrag nachgearbeitet werden kann.An automated adjustment of the laser parameters during surface structuring prevents large-scale damage and helps reduce scrap to zero. An enormous increase in resource efficiency can be guaranteed. Particularly when machining large components, rejects can be prevented by, for example, adjusting the laser power, as local damage can be overcome or can be reworked if the removal is insufficient.
Zusätzlich ist eine enorme Zeitersparnis durch automatisierte Prozessentwicklung möglich. Die Erfindung kann zur industriellen Etablierung des Lasers als Instrument der Oberflächenvorbehandlung beitragen und den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen in der Industrie begünstigen indem die Zuverlässigkeit der Bearbeitung von FKV gesteigert wird.In addition, enormous time savings are possible through automated process development. The invention can contribute to the industrial establishment of the laser as a surface pretreatment instrument and promote the use of fiber-reinforced plastics in industry by increasing the reliability of the processing of FRP.
Dabei zeigen:
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1 ein Diagramm mit erfassten Temperaturverläufen für eine Wellenlänge mit und ohne Faserschädigung und -
2 Diagramm charakteristischer Kurvenverläufe gemessen mit einem Spektroskop an polymerbasierten Werkstoffen unterschiedlicher Modifikationen.
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1 a diagram with recorded temperature curves for a wavelength with and without fiber damage and -
2 Diagram of characteristic curves measured with a spectroscope on polymer-based materials of different modifications.
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2021
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Patent Citations (1)
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| US20090007933A1 (en) | 2007-03-22 | 2009-01-08 | Thomas James W | Methods for stripping and modifying surfaces with laser-induced ablation |
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| GUSTKE, K. [et al.]: Enhancement of the Adhesion of Wire Arc Sprayed Coatings on Carbon Fiber-Reinforced Plastic by Surface Laser Structuring. In: Coatings 2021, 11, 467. https://doi.org/10.3390/coatings11040467 |
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| von GUSTKE, K. [et al.]: Enhancement of the Adhesion of Wire Arc Sprayed Coatings on Carbon Fiber-Reinforced Plastic by Surface Laser Structuring. In: Coatings 2021, 11, 467. https://doi.org/10.3390/coatings11040467 |
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