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2018 | Book

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Prozessgüte für das Laserstrahltrennen kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe

Author: Dipl.-Ing. Marten Canisius

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Book Series : Light Engineering für die Praxis

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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About this book

Das Laserstrahltrennen kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe besitzt wegen der verschleiß- und kraftfreien Wirkungsweise technisches und wirtschaftliches Potential. Die geringe technische Bearbeitungsgüte in Form einer Wärmeeinflusszone oder geringe Vorschubgeschwindigkeiten beim Trennen hemmen die Etablierung des Verfahrens. Die Arbeit zeigt die Ursache für den primären Zielkonflikt zwischen der mittleren Breite der Wärmeeinflusszone und der effektiven Vorschubgeschwindigkeit beim Trennen mit mehrfacher Laserbelichtung auf. In der Arbeit wird auf der Grundlage dieses Zielkonflikts eine Prozessgüte definiert, die durch empirische und simulative Methoden optimiert wird. Dazu wird eine werkstoffliche Modifikation zur Steigerung der Absorption der Laserstrahlung vorgenommen. Zudem wird mittels numerischer Prozesssimulation und -optimierung die werkstoffliche Anpassung an den Laserprozess und insbesondere die abschnittsweise Anpassung der Prozessparameter untersucht. Weiter wird ein Verfahren zur kontaktfreien Messung der Breite der Wärmeeinflusszone mittels Thermografie behandelt. Die Ansätze werden an einem Automobilbauteil demonstriert.

Table of Contents

Frontmatter
Chapter 1. Einleitung
Zusammenfassung
Heute spielen der durch Treibhausgase beschleunigte Klimawandel und dessen negative Folgen für Gesellschaften und Ökosysteme in den Industriestaaten eine zunehmende und besonders in der Bundesrepublik Deutschland (BRD) eine entscheidende Rolle. In der BRD entfällt ein großer Anteil des Endenergiebedarfs auf die Verbrauchergruppe Verkehr. Der Energiebedarf stieg zudem von 25,9 % im Jahr 1991 auf 28,2 % im Jahr 2008 [BAY09]. Bei der Beförderungsleistung aller Verkehrszweige im Gebiet der BRD von 1.135.571 Mio.
Marten Canisius
Chapter 2. Stand von Wissenschaft und Technik
Zusammenfassung
Dieses Kapitel fasst den für die Folgekapitel relevanten Stand der Wissenschaft und Technik zusammen. Nach einer kurzen Marktübersicht werden die grundsätzlichen Werkstoffeigenschaften, einige Verarbeitungsverfahren und der Umfang der Anwendungen kurz dargestellt. Anschließend werden empirische Untersuchungen zum Laserstrahltrennen sowie analytische und numerische Berechnungsverfahren aufgearbeitet. Zudem wird eine kurze Übersicht zu laserabsorbierenden Additiven sowie zu zerstörungsfreien Messverfahren gegeben.
Marten Canisius
Chapter 3. Grundlagen
Zusammenfassung
Dieses Kapitel behandelt die prozessspezifischen Grundlagen des Laserstrahltrennens von CFK. Die im weiteren Verlauf benötigten Grundlagen der Thermodynamik, Energieübertragung sowie der Diskretisierungsmethoden werden hier nicht behandelt. Hierzu sei auf die jeweilige Fachliteratur hingewiesen [BAR12b, VDI13, MAR95].
Marten Canisius
Chapter 4. Motivation und methodische Herangehensweise
Zusammenfassung
Tabelle 1 in Kapitel 2.1.3 zeigt einen Vergleich von Verfahren zur trennenden Bearbeitung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen. Trotz der Vorteile beim Einsatz des Lasers findet eine kommerzielle Anwendung gegenwärtig nicht statt. Die Ursache dafür ist das vergleichsweise geringe Verständnis und Wissen über das Laserverfahren. So sind die Trennmechanismen und insbesondere die Auswirkung thermischer Schädigungen der Schnittkante auf die Leistungsfähigkeit eines Bauteils wenig verstanden oder untersucht.
Marten Canisius
Chapter 5. Empirische Prozessuntersuchung und -entwicklung
Zusammenfassung
Im Rahmen dieses Kapitels werden die in der Arbeit durchgeführten Experimente beschrieben und ausgewertet. Die durchgeführten Messungen der Stoffwerte in Abschnitt 5.1 wurden vorgenommen, da diese eine wichtige Grundlage für die in Kapitel 1 beschriebene Simulation darstellen, um quantitativ korrekte Berechnungen durchführen zu können. In Abschnitt 5.2 wird das gewählte Vorgehen zur Vermessung der Stoff-Strahl-Wechselwirkungszone beschrieben. Im Abschnitt 5.3 wird der Einfluss von Absorbern auf die Stoff-Strahl-Wechselwirkungszone sowie die Prozessparameter systematisch untersucht.
Marten Canisius
Chapter 6. Prozesssimulation
Zusammenfassung
Dieses Kapitel behandelt die Simulation des Laserstrahltrennens. Hier werden insbesondere Aspekte betrachtet, die im Rahmen der Literatur bisher wenig Berücksichtigung gefunden haben, jedoch wichtig für die Beschreibung und das Verständnis der Schädigungsmechanismen sind. Dies betrifft Einflüsse durch die werkstoffliche Spezifikation (Stoffwerte und Lagenaufbau), die Gasströmung innerhalb der Schnittfuge sowie die Remote-Parameter (Belichtungsanzahl und Verzögerungszeiten).
Marten Canisius
Chapter 7. Prozessbegleitende Messung der Wärmeeinflusszone
Zusammenfassung
Die mikroskopische Vermessung der Wärmeeinflusszone an Querschliffen stellt gegenwärtig die gängige Methode zur Auswertung dar. Diese besitzt eine Reihe von technischen und wirtschaftlichen Nachteilen. Entsprechend der Berechnung in Kapitel 5.2 entstehen hohe Kosten von 7-11 € pro Schleifprobe. Zudem liegen die Ergebnisse spät nach dem Experiment vor, da die Präparation zeitaufwändig ist. Des Weiteren wird das untersuchte Bauteil zerstört, da das Heraustrennen der Probe erforderlich ist.
Marten Canisius
Chapter 8. Demonstration und Innovation
Zusammenfassung
Die im Rahmen der Arbeit durchgeführten Untersuchungen sollen neben dem grundlegenden Erkenntnisgewinn mit Praxisbezug angewandt werden. Dazu erfolgt in den folgenden Unterkapiteln die Demonstration des Verfahrens anhand eines konkreten Bauteils. Es wird die Einbringung und der Nutzen von Absorbern, die simulationsgestützte Parameterentwicklung sowie die prozessbegleitende Messung der Breite der Wärmeeinflusszone betrachtet.
Marten Canisius
Chapter 9. Zusammenfassung
Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wird die Definition der Prozessgüte für das Laserstrahltrennen von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen eingeführt. Diese reduziert die von der Vielzahl der Prozessparameter verursachte Kompliziertheit des Laserstrahltrennens kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe auf den wesentlichen Zielkonflikt des Verfahrens. Dieser besteht beim Trennen mit mehrfacher Belichtung zwischen der mittleren Breite der Wärmeeinflusszone an der Schnittkante und der effektiven Vorschubgeschwindigkeit. Letztere wird ebenfalls in der vorliegenden Arbeit mit Hinblick auf die konkrete Anwendung des Verfahrens eingeführt.
Marten Canisius
Chapter 10. Ausblick
Zusammenfassung
Eine Etablierung des Laserstrahltrennens von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen kann unter Umständen durch die Akzeptanz der thermischen Beschädigung der Schnittkante erfolgen. Dazu ist insbesondere die Auswirkung der Wärmeeinflusszone auf die statischen und dynamischen Eigenschaften zu prüfen, obgleich hier bereits einige Untersuchungen existieren (s. Kapitel 2.2). Die wohl größere Hürde bei dieser Strategie stellt die Überwindung der – bei potentiellen Anwendern häufig anzutreffenden – subjektiven, intuitiven Ablehnungen des optischen Erscheinungsbildes eines Bauteils dar, das mit Einzel-Laser-Verfahren im kW-Bereich getrennt wurde.
Marten Canisius
Backmatter
Metadata
Title
Prozessgüte für das Laserstrahltrennen kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe
Author
Dipl.-Ing. Marten Canisius
Copyright Year
2018
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-56208-6
Print ISBN
978-3-662-56207-9
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-56208-6