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Automatisiertes Tapelegen

Die Herstellung hochwertiger und kostengünstiger Glasfaser- und Kohlenstofffaser–Verbundbauteile wird durch automatisiertes Tapelegen und -wickeln in industriellen Produktionsprozessen möglich.

Das Verfahren: Thermoplatisches Tapelegen

Bei den Tapes handelt es sich um unidirektionale Endlosfasern in Thermoplast, die zum Teil mit Klebharz vorimprägniert sind. Sie sind wie ein Band auf einer Rolle aufgewickelt und werden so in die Fertigungsanlage integriert. Die Vorschubeinheit zieht das Tape von der Rolle und eine Robotik legt es auf der Arbeitsplattform bzw. dem teilgefertigten Bauteil in der gewünschten Position ab. Um die Haftung des Klebstoffs zu erhöhen, wird es dort durch Erhitzung mit einem Laser aufgeschmolzen. Schritt für Schritt entstehen also exakt konturierte Endlosfaserstrukturen von hoher Festigkeit.

Die Prozessvorteile des Diodenlasers

Bereits früh erschlossene Anwendungsfelder für Laserline Strahlquellen sind industrielle Systeme für das Tapelegen und Tapewickeln von faserverstärkten Kunststoffen. Hier werden die abgelegten bzw. gewickelten Tapes mit Hilfe von Hochleistungsdiodenlasern verschweißt. Diese Verfahren kommen unter anderem im Automobil- und Flugzeugbau sowie bei der Herstellung von Nahtlosrohren – etwa für den Offshore-Bereich – zum Einsatz.  

Größte Pluspunkte von Laserline Diodenlasern sind die homogene Intensitätsverteilung im Fokus, die mit Spezialoptiken noch optimiert werden kann. Zusammen mit der sehr präzisen Temperaturregelung zum kontrollierten Aufschmelzen,ermöglichen diese Eigenschaften eine direkte Fertigstellung des Bauteils und beschleunigen den Prozess erheblich. 

Einsatzbeispiele

Design Beispiele

LDMdirect 2000

Ultrakompakter Direkt-Diodenlaser für Wärmebehandlungsanwendungen mit einer Gehäusebreite von nur 50 mm. Der Bearbeitungskopf mit integrierter Strahlquelle und Optik erzeugt rechteckige und vollständig homogenisierte Laserspots, die an die Prozessanforderungen angepasst werden können. Mehrere Bearbeitungsköpfe können zu einem System-Setup kaskadiert werden.

Abmessungen vom LDM Direkt-Diodenlaser

Anwendungen

Diodenlaser werden bereits seit 2009 bei der Herstellung von CFK-Bauteilen eingesetzt. Beim Tapelegen und Tapewickeln von faserverstärkten Kunststoffen werden die abgelegten bzw. gewickelten Tapes mit Hilfe von Lasern verschweißt. Die verbesserten mechanischen Eigenschaften für Produkte und Gewichtseinsparungen von bis zu 70 Prozent, führen zu einer kontinuierlichen Zunahme der Anwendungen mit CFRP (Carbon fiber-reinforced plastic) Komponenten. Aktuelle Produktionssysteme mit einem einzigen Bearbeitungskopf sind jedoch in ihrer maximalen Ausbeute begrenzt. Um die Produktionskapazität von Bandauflegeanlagen zu erhöhen, entwickelte Laserline einen modularen Direktdiodenlaser mit einer Gehäusebreite unter 50 mm. Das Design ermöglicht die Integration mehrerer Köpfe in einer Aufspannung. Der Bearbeitungskopf mit integrierter Laserquelle und Optik erzeugt einen rechteckigen, vollständig homogenisierten Laserstrahl, der an die Bandgrößen angepasst werden kann. Die maximale Laserleistung von über 2 kW pro Bearbeitungskopf sorgt für hohe Prozessgeschwindigkeiten und das zuverlässige Schmelzen des Bandmaterials. Ein hoher Arbeitsabstand von mehr als 200 mm ermöglicht eine kontaminations- und kollisionsfreie Fertigung. Durch den Einsatz ausschließlich industrieerprobter Standardkomponenten, ist ein schneller und zuverlässiger Prozessanlauf gewährleistet. 

Tapewickeln von Rohren

Beim Tapewickeln von Rohren wird das Thermoplastband um eine Preform gelegt und aufgeschmolzen. Das Verfahren erfordert eine zügige, in puncto Einwirkbereich und Einwirkzeitraum exakt kontrollierte Wärmeeinbringung. Mit Laserline Diodenlasern wird dieses Ziel zuverlässig erreicht. Kundenindividuelle Homogenisieroptiken zur Integration in den Kopf eines Tapelege-Roboters und koaxiale Multi-Point-Temperaturregelungen stellen schonende Materialerwärmung sicher. Tapewickeln auf Diodenlaserbasis erreicht Prozessgeschwindigkeiten von mehreren Metern pro Minute und ist bei unterschiedlichsten Bauteilgeometrien anwendbar.

Seit 2009 werden Laserline Diodenlaser von der AFPT GmbH für die Fertigung von CFK-Serienbauteilen eingesetzt. Mit speziellen Homogenisierungsoptiken werden bei sehr gutem Prozesswirkungsgrad Tapelege-Geschwindigkeiten von mehreren Metern pro Minute erreicht.

Journal

Direktdiodenlaser optimieren Tapelegen
faserverstärkter Kunststoffe

Beim Herstellen von Leichtbaukomponenten durch laserbasiertes Tapelegen und –wickeln wurden in der Vergangenheit bereits beachtliche Ablegegeschwindigkeiten erreicht. Die herkömmlichen Anlagen mit nur einem einzigen Bearbeitungskopf besaßen jedoch nur eingeschränkte Produktionskapazitäten. Laserline Direktdiodenlaser machen nun Fertigungsanlagen mit mehreren Bearbeitungsköpfen und dadurch eine deutliche Kapazitätssteigerung möglich.

© Mikrosam 2020

Die Nachfrage nach Leichtbaukomponenten nimmt heute in vielen Konstruktionsbereichen zu. Im Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrttechnik, aber auch im Pipelinebau weiß man die Gewichtsvorteile gegenüber dem klassischen Werkstoff Stahl zu schätzen. Neben dem Leichtmetall Aluminium kommen dabei vor allem faserverstärkte Kunststoffe zum Einsatz. Sie sind noch einmal um 25 Prozent leichter als Aluminium und um 60 bis 70 Prozent leichter als Stahl. Das typische Verfahren zur Herstellung solcher Kunststoffbauteile ist dabei die Verarbeitung in Form von Tapes. Hierfür gibt es unterschiedliche Ansätze: Im sogenannten Duroplast-Tapelegeverfahren etwa werden die Tapes mittels eines Klebers verbunden. Durch unidirektionales Ablegen der vorimprägnierten Fasern und die anschließende Konsolidierung in einem Druckbehälter (Autoklavierprozess) entstehen schließlich die fertigen Bauteile. Nachteil dieses Ansatzes: Eine spätere Aufwärmung oder Umformung ist nicht möglich, und der Kleber gilt als gesundheitsschädlich. Zudem ist das Material nicht recycelbar.

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