Hybrid Wasserstrahl-Laser-Bearbeitung steigert Effizienz bei CFK & CMC Bauteilen

Da kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFK) und keramische Matrix-Composites (CMC) in Flugzeugtriebwerken, Raumfahrtkomponenten und Hyperschallanwendungen proliferieren, wird Bearbeitung zum Thema, wo Präzision und Effizienz Programmergebnisse verändern können. Das Einbringen hochzuverlässiger, hochpräziser Features in CFKs und CMCs ist aufgrund ihrer Härte und Abrasivität herausfordernd, was zu langsamen Bearbeitungsraten, unerwünschten Auswirkungen auf Materialeigenschaften, Unfähigkeit, Teilspezifikationen zu erfüllen, und hohen Betriebskosten einschließlich wiederkehrendem Werkzeugwechsel führt.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, wurden verschiedene Lasertechnologien für die Bearbeitung solcher fortschrittlicher Composites entwickelt. Während Laser Potenzial für höhere Effizienz und Eliminierung wiederkehrender Werkzeugkosten bieten, dissipiert die erzeugte Wärme in das Material, was Potenzial für Mikrorisse und Materialveränderung schafft. Laser schneiden auch im Fokuspunkt des Lichtstrahls, was V-förmige Schnitte ergibt, die für präzise Toleranzen problematisch sein können.

Laser MicroJet Technologie, entwickelt von Synova (Duillier, Schweiz), erzeugt einen Laserstrahl, der vollständig in einem Wasserstrahl enthalten ist. Der Laser wird an der Luft-Wasser-Grenzfläche reflektiert, ähnlich dem Prinzip einer Lichtwelle, während das Wasser die Schneidzone kühlt und Ablagerungen aus dem Schnittspalt wäscht. Vorteile des Laser MicroJet gegenüber konventionellen Lasern umfassen reportedly kein Brennen oder thermische Degradation, weniger Grate für glattere Oberflächen, geradseitige Schnitte und höhere Präzision.

CW begegnete dem Laser MicroJet erstmals auf seiner 2017 Tour durch GE Aviations Asheville, N.C., USA Produktionsanlage für CMC Triebwerkskomponenten. Hier wird er zum Bohren von Löchern in CMC-Schaufeln für LEAP Flugzeugtriebwerke eingesetzt. „Diese Technologie hilft, ein hohes Maß an Genauigkeit im Lochdurchmesser zu erhalten“, sagt Ryan Huth, GE Aviations Manager für CMC Produktion. „Der MicroJet bohrt diese Löcher in zwei Minuten versus einer Stunde mit konventioneller Bearbeitung“, sagt Huth. CW's Schwesterzeitschrift 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 Laser MicroJet Technologie nach seiner Forschung am Federal Institute of Technology (EPFL, Lausanne, Schweiz) in den 1990ern patentierte. Die Technologie wurde 2001 breit für Halbleiter-Wafer-Dicing adoptiert. Synova gründete 2003 lokale Tochtergesellschaften in USA, Japan, Indien und Korea. Diese wurden erweitert zu Mikrobearbeitungszentren, mit naher Expansion für Taiwan und China geplant. 2009 etablierte Synova eine Kooperationsentwicklungspartnerschaft mit Makino Milling Machine Co. Ltd. (Tokio, Japan), die eine neue Maschinenserie einführte und diese für Medizintechnik, Uhrenmechanik, Gas- und Strahltriebwerksturbinenschaufeln, Halbleiterbauelemente und Schneidwerkzeuge aus超harten Materialien vorantrieb.

Im Laser MicroJet System durchläuft ein Laserstrahl eine druckbeaufschlagte Wasserkammer und wird in eine Düse fokussiert. Die Laser sind gängige Industrietyps – Festkörper Nd:YAG – mit 10–200 Watt Leistung und Wellenlängen von 1.064 (Infrarot), 532 oder 355 Nanometern. Der haarfeine Strahl – Durchmesser 50–70 Mikrometer – aus gefiltertem, deionisiertem Wasser wird bei niedrigem Druck von 200–650 bar eingesetzt. Dies resultiert in niedrigem Wasserverbrauch, im Bereich von 2–3 L/h, und einer vernachlässigbaren Kraft von weniger als 0,1 Newton auf das Material.

Wie ist effiziente Laserablation in Wasser möglich? „Der Laser wird gepulst, grob 10.000 Mal pro Sekunde“, erklärt Jacques Coderre, Synova Business Manager für USA. „Für jeden Laserpuls wird ein Plasma erzeugt, das das Wasser nach oben drückt, was Ablation ermöglicht. Am Pulsende kollabiert das Plasma und das Wasser reinigt nun die Oberfläche und dissipiert die Wärme.“ Er bemerkt, der Wasserstrahl eliminiert auch die Komplexität und Prozessvariationen der Fokushaltung des Lasers, typisch für trockene Lasersysteme. „Das ermöglicht Schneiden dicker oder nicht-flacher Teile ohne Sorge um Fokus“, sagt Coderre. „Die Technologie erzeugt auch einen zylindrischen Laser, der perfekt parallele Wände mit engen Kerf-Breiten schafft.“

Konfiguration für Composites

Der Laser MicroJet performt nicht nur für CMCs gut, sondern auch für CFK und gestapelte Laminate. Im Test erzeugte er 3-mm-Durchmesser-Löcher in 2,6-mm-dickem CFK-Laminat bei Geschwindigkeiten bis 1.440 mm/min. „Mit konventionellem Laser muss man wegen Hitze langsamer machen“, merkt Coderre an. „Konventionelle Fräser erreichen ähnliche Geschwindigkeiten, haben aber höhere Betriebskosten durch nötigen Werkzeugwechsel.“

Der Laser MicroJet kann 1-Zoll-dicke CMC-Laminate schneiden. „Die Geschwindigkeit basiert auf einer ziemlich konstanten Ablationsrate von 1 mm³/min“, beobachtet Coderre.

Synova hat eine Reihe von Maschinen, letztes Jahr führte es sein 5-Achs-CNC LCS 305 System ein. „Diese Maschine glänzt bei hochpräzisen 3D-Schnitten und eignet sich gut für kleine CMC-Teile“, erklärt Coderre. „Aber sie passt nicht für große CFK-Teile.“ Dafür hat Synova seinen Laser MicroJet in eine Gantry-Maschine integriert, fähig Teile >2 m x 3 m zu bearbeiten. „Es ist auch einfach in Roboter zu integrieren und einfach zu programmieren“, fügt er hinzu. Für 2D-Schnitte wandelt MicroJet Software CAD-Datei in Maschinencode um. Nach Verifikation drückt der Operator einen Knopf und die Maschine führt den Schneidablauf aus. Für 3D-Schnitte extrahiert ein Postprozessor die nötigen 3D-Daten aus der CAD-Datei und formatiert sie für den Laser MicroJet.

Für Factory 4.0 Fähigkeit sind Laserleistungsmesser, Positionssensor und automatische Strahlwinkelkorrektur in das Laser MicroJet System integriert. „Es ist sehr flexibel“, sagt Coderre, „einfach in Teileproduktion als Standalone-System oder als Teil vollautomatisierter Linien für bedienerfreie Hochvolumenproduktion zu integrieren. Die Technologie hat sich bereits in CMC-Teilen für LEAP Triebwerke bewährt. Für Composites bietet sie niedrigere Fertigungskosten durch schnellere Produktionsgeschwindigkeiten, reduzierte Betriebskosten, höhere Zuverlässigkeit und höhere Ausbeuten. Solche Effizienz ist genau das, was Composites brauchen, während neue Materialien, Märkte und konkurrierende Metalltechnologien sich weiterentwickeln.“