CFK ist die Abkürzung für carbonfaserverstärkter Kunststoff. Es hat eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei – im Vergleich zu metallischen Werkstoffen – geringer Masse und kann nicht korrodieren. Jeder Industriezweig, der sich mit dem Thema Leichtbau beschäftigt, befasst sich auch mit CFK. Den größten Bedeutungszuwachs erfährt der Werkstoff aktuell in der Automobilindustrie. Die Karosserien des BMW i3 und BMW i8 bestehen größtenteils aus CFK und geben einen guten Eindruck, wie die Zukunft des Automobils aussehen kann. Bei einer Beschädigung müssen die betroffenen Lagen des CFK abgetragen und anschließend ein passendes Gegenstück verklebt werden um die Reparatur abzuschließen. Der Materialabtrag wird aktuell durch kostspieliges und zeitaufwendiges Schleifen erreicht. Eine Möglichkeit, Zeit und Kosten zu sparen sowie die Passform der Gegenstücke zu perfektionieren bietet der Laser. Die prozessbegleitenden Emissionen des Lasers stellen dabei jedoch einen Risikofaktor für Mensch und Maschine dar. Ziel dieser Arbeit ist es, zu einer idealen Absaugungsmöglichkeit beizutragen, welche die Prozessemissionen vollends erfasst und damit das Risiko stark reduzieren kann.

Textprobe: Kapitel 2.2 Reparatur 2.2.1 Materialschäden Bei metallischen Bauteilen lassen sich mechanische Schäden leicht optisch erkennen. Nach einer Kollision hat das Material beispielsweise Beulen oder Dellen. Bei Verbundwerkstoffen besteht die Gefahr einen Einschlag von außen nicht zu erkennen, innen kann er allerdings einen signifikanten Schaden verursacht haben Da das Material, wie in Bild 2.1 zu sehen ist, aus mehreren Schichten besteht, entstehen die wesentlichen Schäden im Materialinneren, wo sie die einzelnen Schichten voneinander lösen können. Das Lösen der einzelnen Schichten voneinander nennt sich Delamination und hat schwerwiegende Folgen auf das Material und seine Eigenschaften. Durch die Untersuchung von Gelegeproben, die einen Schlag mit definierter Kraft erfahren haben, lassen sich Schlüsse auf die Schadenscharakteristik ziehen. In Bild 2.2(a) ist im oberen Teil eine Queransicht auf einen beschädigten Bereich zu sehen. Der Schlag erfolgte auf die obere Probenoberfläche und der beschädigte Bereich ist in schwarz dargestellt. Der Schädigungsbereich breitet sich vom Aufschlagpunkt kegelförmig im Material aus. Im unteren Teil von Bild 2.2(a) ist eine Vergrößerung des beschädigten Bereichs dargestellt. Es sind zwei Arten von Schäden zu erkennen. Zum einen tritt Delamination auf und zum anderen sind Risse im Material zu erkennen. Es ist weiterhin zu erkennen, dass die Risse innerhalb einer Schicht in verschiedenen Höhen entstehen können. Sie können sich aber nicht in eine angrenzende Schicht ausbreiten und enden daher spätestens an der Schichtgrenze. In Bild 2.2(b) ist die Ausbreitung der Schädigung schematisch dargestellt. Ausgehend vom Auftreffpunkt breitet sich die Schädigung kegelförmig im Material aus. Nahe des Aufschlagpunktes kann es zur Krümmung der oberflächennahen Bereiche kommen, was die Identifizierung des Schadens erleichtert. Ein vorhandener Schaden im CFK muss nicht zwingend oberflächlich sichtbar sein. Die auftretenden Risse verursachen zumeist eine Delamination an der kommenden Grenze zur nächsten Schicht. In tieferen Schichten direkt unter dem Aufschlagpunkt können die Risse durch zwei Umstände verursacht werden. Die Risse längs der Schichten werden verursacht durch auftretende Scherung, die Risse quer zu den Schichten durch Biegung. Aus Abschnitt 2.1 ist bekannt, dass die Matrix mechanische Kräfte zwischen den Carbonfasern überträgt. Überschreitet die Biegung ein kritisches Maß, brechen die Carbonfasern und es entstehen Risse innerhalb einer Schicht. Daher haben die Risse in Bild 2.2(b) nahezu die gleiche Neigung. Die materialabhängige kritische Biegung bestimmt nicht nur den Neigungswinkel der Risse sondern auch den Öffnungswinkel der kegelförmigen Schadensausbreitung. 2.2.2 Mechanischer Reparaturprozess von CFK Der Reparaturvorgang bei CFK findet - Stand heute - zumeist mechanisch statt. Die übliche Strategie sieht vor, die einzelnen Schichten nach und nach mit einem Winkelschleifer mit einer Diamant-Trennscheibe abzutragen. Bild 2.3 zeigt das übliche Vorgehen bei der Reparatur von CFK. Abgetragen werden muss der kegelförmig beschädigte Bereich aus Bild 2.2. Die unterschiedlichen Farben der Schichten geben ihre jeweilige Faserorientierung im Gelege an. Die so erzeugte Stufenform wird mit einem Klebefilm ausgelegt und mit für diesen Reparaturvorgang exakt angefertigten Schichten gefüllt. Oben und unten wird eine zusätzliche Schicht angebracht und ein Klebefilm bildet die neue Oberfläche. Das Bauteil muss zuletzt im Vakuum aushärten. Dieser Prozess ist schwierig und zeitaufwendig. Abhängig von der Geometrie des zu reparierenden CFK-Bauteils kann der Schleifvorgang mehrere Arbeitstage in Anspruch nehmen. Von Hand kann ein Bauteil nicht in die exakte Stufenform, dargestellt in Bild 2.3, geschliffen werden, was die Fertigung des passenden Gegenstücks erschwert. Die Qualität des Schleifvorgangs hängt sehr stark von der Expertise des geschulten Personals ab und es ist in seiner Arbeit zusätzlich limitiert durch die Genauigkeit ihres Werkzeugs. Durch diese Umstände bedingt, existiert ein großes Potential für sogenanntes menschliches Versagen. Da CFK, wie in Abschnitt 2.1 angesprochen, gerade in Branchen genutzt wird, in denen Sicherheit eine zentrale Rolle darstellt, muss sich nach Alternativen umgeschaut werden, mit denen eine hohe Präzision erreicht werden kann. Ein Laser bietet für diese Anwendung die nötige Präzision. 2.2.3 Laserbasierter Reparaturprozess von CFK Ziel dieses Verfahrens ist zweifelsfrei das Erarbeiten eines Prozesses mit höchster geometrischer Genauigkeit, der viel Zeit im Vergleich zur mechanischen Strategie einspart und zusätzlich höchste automatisierte Kontrolle bietet. Weiterhin wird durch die Verwendung eines Lasers die Nachfrage nach Fachpersonal gesenkt und die Möglichkeit menschlicher Fehler beim Prozess eliminiert. Bild 2.4 beschreibt die prinzipielle Herangehensweise. Die unterschiedlichen Farben der Schichten geben erneut ihre jeweilige Faserorientierung im Gelege an. Im ersten Schritt wird der beschädigte Bereich Lage für Lage mit einem Laser abgetragen. Die Kernherausforderung bei diesem Schritt besteht darin, die jeweils darunterliegende Lage im Übergangsbereich nicht zu beschädigen. Diese Schädigung hätte eine enorme Senkung der Strukturfestigkeit zur Folge. Im zweiten Schritt wird, wie in Bild 2.3 dargestellt, die typische Stufenform Lage für Lage befüllt und abschließend gemeinsam mit dem Klebematerial im Vakuum ausgehärtet. Die zur Reparatur verwendeten CFK-Lagen können ebenfalls präzise mit einem Laser gefertigt werden.

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