Aufschmelzen von Wasserstrahl, Laser für Effizienz bei der CFK/CMC-Bearbeitung

Da sich kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFK) und Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMC) in Flugzeugtriebwerken, Weltraumkomponenten und Hyperschallanwendungen vermehren, wird die Bearbeitung zu einem Problem, bei dem Präzision und Effizienz die Programmergebnisse verändern können. Der Versuch, hochzuverlässige und hochgenaue Merkmale in CFK und CMC zu bearbeiten, kann aufgrund ihrer Härte und Abrasivität eine Herausforderung darstellen, was zu langsamen Bearbeitungsgeschwindigkeiten, unerwünschten Auswirkungen auf die Materialeigenschaften, der Unfähigkeit, die Teilespezifikationen zu erfüllen, und hohen Betriebskosten, einschließlich wiederkehrender Werkzeuge Ersatz.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, wurde eine Reihe von Lasertechnologien für die Bearbeitung solcher fortschrittlicher Verbundwerkstoffe entwickelt. Während Laser das Potenzial zur Effizienzsteigerung und Eliminierung wiederkehrender Werkzeugkosten bieten, wird die erzeugte Wärme in das Material abgeleitet, wodurch Potenzial für Mikrorisse und Materialveränderungen entsteht. Laser schneiden auch im Brennpunkt des Lichtstrahls, was zu V-förmigen Schnitten führt, die für genaue Toleranzen problematisch sein können.

Die von Synova (Duillier, Schweiz) entwickelte Laser MicroJet-Technologie erzeugt einen Laserstrahl, der vollständig in einem Wasserstrahl enthalten ist. Der Laser wird an der Luft-Wasser-Grenzfläche reflektiert, im Prinzip ähnlich einem Lichtwellenleiter, während das Wasser die Schnittzone kühlt und Schmutz aus der Schnittfuge wäscht. Zu den Vorteilen des Laser MicroJet im Vergleich zu herkömmlichen Lasern gehören angeblich kein Brennen oder thermischer Abbau, weniger Grate für glattere Oberflächen, gerade Schnitte und höhere Präzision.

CW begegnete dem Laser MicroJet zum ersten Mal bei seiner Tour 2017 durch das US-Produktionswerk für CMC-Triebwerkskomponenten in Asheville, N.C., von GE Aviation. Hier wird es verwendet, um Löcher in CMC-Verkleidungen für LEAP-Flugzeugtriebwerke zu bearbeiten. „Diese Technologie trägt dazu bei, ein hohes Maß an Genauigkeit beim Lochdurchmesser aufrechtzuerhalten“, sagt Ryan Huth, Leiter der CMC-Produktion bei GE Aviation. „Der MicroJet kann diese Löcher in zwei Minuten bohren, gegenüber einer Stunde bei konventioneller Bearbeitung“, sagt Huth. CW 's Schwestermagazin Modern Machine Shop , hat auch einen informativen Artikel über den Laser MicroJet veröffentlicht.

Die Kraft von Wasser und Licht

Synova wurde 1997 von Dr. Bernold Richerzhagen gegründet, der nach seiner Forschung an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (EPFL, Lausanne, Schweiz) in den 1990er Jahren die Laser MicroJet-Technologie patentierte. Die Technologie wurde 2001 weitgehend für das Zerschneiden von Halbleiterwafern übernommen. 2003 gründete Synova lokale Tochtergesellschaften in den USA, Japan, Indien und Korea. Diese wurden um Mikrobearbeitungszentren erweitert, wobei eine kurzfristige Expansion in Taiwan und China geplant ist. 2009 ging Synova eine kooperative Entwicklungspartnerschaft mit Makino Milling Machine Co. Ltd. (Tokio, Japan) ein, um eine neue Maschinenserie auf den Markt zu bringen und diese für die Bearbeitung von medizinischen Geräten, Uhrwerken, Turbinenschaufeln für Gas- und Strahltriebwerke, Halbleiterbauelementen weiterzuentwickeln und Schneidwerkzeuge aus superharten Materialien.

Beim Laser MicroJet-System passiert ein Laserstrahl eine Druckwasserkammer und wird in eine Düse fokussiert. Die Laser sind ein gängiger Industrietyp – Festkörper-Nd:YAG – mit einer Leistung von 10-200 Watt und einer Wellenlänge von 1.064 (Infrarot), 532 oder 355 Nanometern. Der hauchdünne Strahl — Durchmesser 50-70 µm — aus gefiltertem, entionisiertem Wasser wird bei einem niedrigen Druck von 200-650 bar verwendet. Dies führt zu einem geringen Wasserverbrauch in der Größenordnung von 2-3 l/h und einer vernachlässigbaren Kraft von weniger als 0,1 Newton, die auf das Material ausgeübt wird.

Wie ist eine effiziente Laserablation im Wasser möglich? „Der Laser pulsiert ungefähr 10.000 Mal pro Sekunde“, erklärt Jacques Coderre, Synova Business Manager für die USA. Am Ende des Pulses kollabiert das Plasma und das Wasser reinigt nun die Oberfläche und führt die Wärme ab.“ Er stellt fest, dass der Wasserstrahl auch die Komplexität und Prozessvariationen beseitigt, die bei der Beibehaltung des Lasers im Fokus normalerweise bei Trockenlasersystemen erforderlich sind. „Auf diese Weise können dicke oder nicht flache Teile geschnitten werden, ohne sich Sorgen machen zu müssen, dass sie im Fokus stehen“, sagt Coderre. „Die Technologie erzeugt auch einen zylindrischen Laser, der perfekt parallele Wände mit engen Schnittspaltbreiten erzeugt.“

Konfiguration für Verbundwerkstoffe

Der Laser MicroJet schneidet nicht nur für CMCs, sondern auch für CFK und gestapelte Laminate gut ab. Während der Tests produzierte es mit Geschwindigkeiten von bis zu 1.440 mm/min Löcher mit einem Durchmesser von 3 Millimetern in einem 2,6 Millimeter dicken kohlenstofffaserverstärkten Kunststofflaminat (CFK). „Bei einem herkömmlichen Laser muss man wegen der Hitze langsamer werden“, bemerkt Coderre. „Herkömmliche Fräser können ähnliche Drehzahlen erreichen, haben aber aufgrund des erforderlichen Werkzeugwechsels höhere Betriebskosten.“

Der Laser MicroJet kann 1 Zoll dicke CMC-Laminate schneiden. „Die Geschwindigkeit basiert auf einer ziemlich konstanten Abtragsrate von 1 mm ³ /min“, bemerkt Coderre.

Synova verfügt über eine Reihe von Maschinen und hat letztes Jahr ihr 5-Achsen-CNC-System LCS 305 vorgestellt. „Diese Maschine zeichnet sich durch hochpräzise 3D-Schnitte aus und eignet sich gut für kleine CMC-Teile“, erklärt Coderre. „Aber für große CFK-Teile passt es nicht.“ Dafür hat Synova seinen Laser MicroJet in eine Portalmaschine integriert, die Teile mit einer Größe von mehr als 2 x 3 Metern bearbeiten kann. „Außerdem lässt es sich leicht in Roboter integrieren und einfach programmieren“, fügt er hinzu. Für 2D-Schnitte wandelt die MicroJet-Software eine CAD-Datei in Maschinencode um. Nach der Überprüfung drückt der Bediener einfach einen Knopf und die Maschine führt die Schneideroutine durch. Für 3D-Schnitte, erklärt Coderre, extrahiert ein Postprozessor die notwendigen 3D-Daten aus der CAD-Datei und formatiert sie für den Laser MicroJet.

Für Factory 4.0-Fähigkeit sind ein Laserleistungsmesser, ein Positionssensor und eine automatische Strahlwinkelkorrektur in das Laser MicroJet-System integriert. „Es ist sehr flexibel“, sagt Coderre, „als Standalone-System oder als Teil vollautomatisierter Linien für eine bedienerlose Großserienfertigung einfach in die Teilefertigung zu integrieren.“ Die Technologie habe sich bereits in CMC-Teilen für die LEAP-Flugmotoren bewährt, fährt er fort. „Für Verbundwerkstoffe bietet es niedrigere Herstellungskosten, die durch höhere Produktionsgeschwindigkeiten, reduzierte Betriebskosten, höhere Zuverlässigkeit und höhere Ausbeuten erreicht werden.“ Diese Effizienz ist in der Tat das, was Verbundwerkstoffe brauchen, da sich neue Materialien, Märkte und wettbewerbsfähige Metalltechnologien weiterentwickeln.