Laser-Scanning-Mikroskop- (a, b), Rasterelektronenmikroskop-Bilder (c, d) von Karbonfaserproben (e) für verschiedene Ablationsparameter. (Bild: Coherent)
UV-Laserlinienstrahl-System am Institut für Lasertechnik in Aachen. (Bildquelle: Coherent)
Da Excimerlaser eine geringe optische Eindringtiefe haben, ist der thermische Einfluss auf die jeweiligen Komponenten vernachlässigbar. Sie eignen sich daher zur Funktionalisierung dünner Schichten. Deshalb betreibt das Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT) in Aachen in Zusammenarbeit mit Coherent einen UV-Laserlinienstrahl. Dieses System erweitert das Anwendungsfeld für die Großserienfertigung.
Mit der Wellenlänge von 248 nm können Materialien mit einer Tiefenauflösung von unter 0,1 µm selektiv modifiziert werden. Darüber hinaus ermöglicht das System, empfindliche Mehrschichtsysteme präzise zu strukturieren. Die Funktionalität des kurzwelligen Linienstrahlsystems wird für den Abtrag von kohlenstofffaserverstärkten Polymeren (CFK) evaluiert.
Charakterisierung des Excimerlaser-Bearbeitungssystems
Der im System eingesetzte Coherent LEAP Excimerlaser liefert eine UV-Ausgangsleistung von 150 W bei einem Joule stabilisierter Pulsenergie. Das 248 nm-Linienstrahlsystem bietet eine maximale Energiedichte von 1,2 J/cm² in der Substratebene und eine nominale Strahlgröße von 155 mm Länge und 0,3 mm Breite. Durch die hohe Strahlhomogenität gewährleistet das Linienstrahlsystem genaue und reproduzierbare Ergebnisse bei der Dünnschichtbearbeitung. Das Abbildungssystem ist mit einer niedrigen numerischen Apertur ausgelegt, was zu einer sehr hohen Schärfentiefe von ±100 µm bei der Oberflächenbearbeitung führt. Daher haben typische Substrathöhenschwankungen während des Überfahrens der Probe keinen Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis. Darüber hinaus kann die Strahlführungstechnologie des 248 nm-Linienstrahlsystems so ausgelegt werden, dass verschiedene Linienstrahlgeometrien bis hin zu quadratischen Bearbeitungsfeldern möglich sind, um eine perfekte Anpassung an diverse Substratgrößen oder Bauteilmuster zu erreichen.
Vorteile der Excimerlaser-Bearbeitung
Im Vergleich zu mechanischen Verfahren erfordert die Excimerlaser-Bearbeitung keine Oberflächenpräparation und sie wird ohne Einsatz von Chemikalien durchgeführt. Ebenso sind keine Nachreinigungsprozesse erforderlich. Darüber hinaus ist die Laserbearbeitung mit dem schnellen Bearbeiten großer Bereiche kompatibel, lässt sich leicht automatisieren und liefert äußerst reproduzierbare Ergebnisse.
Laser-Scanning-Mikroskop- (a, b), Rasterelektronenmikroskop-Bilder (c, d) von Karbonfaserproben (e) für verschiedene Ablationsparameter. (Bildquelle: Coherent)
Entscheidend für Kohlefasermaterialien ist, dass die Laserbearbeitung kein Beschädigen der Fasern hervorruft. Die vom Excimerlaser abgegebenen UV-Lichtpulse wirken durch photochemischen Materialabtrag, sodass keine Wärmebelastung entsteht. Darüber hinaus ermöglicht die Steuerung der Pulszahl pro Fläche eine Tiefenkontrolle des Materialabtrags im Bereich von 100 nm.
Bei der Wellenlänge von 248 nm liegt die verwendete Energiedichte um mindestens eine Größenordnung unter der Energiedichte, die notwendig wäre, um die Kohlefasern selbst zu ablatieren. Es wird also in selektiver Weise nur das Matrixmaterial aus Epoxidharz abgetragen, während die Kohlefasern strukturell unbeeinflusst bleiben. So lassen sich je nach Bedarf die Faserlagen teilweise oder vollständig freilegen.
UV-Laserbearbeitungskonzepte im Luftfahrtsektor
Die Excimerlaser-Bearbeitung von kohlenstofffaserverstärkten Polymeren ist für die Luftfahrtindustrie von besonderem Interesse. Der Einsatz von Luft- und Raumfahrtkomponenten aus CFK nimmt zu. Die bei dessen Verwendung erzielte Gewichtsreduzierung führt zu Treibstoffeinsparungen und zu einer deutlichen Kostenreduzierung. Vielversprechende Ansätze im Bereich der Primärstrukturen von Flugzeugen sind das nachträgliche Reduzieren von Rumpfteiltoleranzen sowie die Sensorintegration in Tragflächen.
Prinzip der Laserablation für das Shimming der Rumpfkomponenten (links) und zur Einbringung von Metallsensoren in tiefere Lagen der Tragflächenstruktur (rechts). (Bildquelle: Coherent)
Aufgrund der hohen Fertigungstoleranzen mangelt es den CFK-Komponenten an hoher Präzision, was zu Herausforderungen bei der Montage großer Flugzeug-Primärstrukturen führt. Um Fügespalte zu vermeiden, werden die Rumpfstrukturen größer als erforderlich gefertigt und anschließend lokal nachgearbeitet. Der notwendige Materialabtrag (Shimming) kann mit dem Excimerlasersystem durchgeführt werden. Ein Sensorsystem identifiziert dafür überschüssige Materialstellen, die vom Laser abgetragen werden. Thermisches oder mechanisches Beschädigen der Karbonfasern ist dabei zu vermeiden.
Über einen anschließenden Metallisierungsprozess der obersten freigelegten Kohlenstofffaserlage kann die Sensorik für Luft- und Raumfahrtkomponenten in die Struktur integriert werden. Aufgrund der Wellenlänge von 248 nm sind die Eindringtiefen sehr gering, sodass ein präziser Abtrag ohne Schädigung der Kohlenstofffasern möglich ist.
Kohlenstofffasern werden aus Precursor-Fasern hergestellt, die zunächst stabilisiert, dann karbonisiert abschließend graphitiert werden. Durch diesen Veredelungsprozess liegen die Fasern in einer Graphitstruktur mit getrennten Graphenschichten vor. Bei der Freilegung der Faserlagen mit UV-Strahlung muss eine Oxidation der Kohlenstofffasern verhindert werden, um Störstellen zwischen den Graphenschichten zu vermeiden.
Um Defekte zu reduzieren und die mechanischen Eigenschaften zu erhöhen, werden die Fasern zusätzlich in einer Argon-Inert-Atmosphäre wärmebehandelt. Im Ergebnis liegt ein typischer Oxidationsanteil im Bereich von lediglich 0,5 bis 1,5 Volumenprozent vor. Abschließend werden die Fasern mit einem Haftvermittler oberflächenbehandelt, um das Reiben mit dem Matrixmaterial zu erhöhen und die Faser vor Umwelteinflüssen zu schützen. Die Fasern werden anschließend zu Faserbündeln aus je 1.000 bis 24.000 Fasern zusammengeführt. Je nach angestrebter mechanischer Beständigkeit werden die Bündel zu mehreren Kohlefaserlagen verwebt.
Eine der bevorzugten CFK-Materialien in der Aerospace-Industrie ist Hexply M21. Dieses besteht aus einer Epoxidmatrix, die vierzehn Kohlefaserschichten einer Dicke von jeweils etwa 400 μm in Leinwandbindung umgibt. Hexply M21 wird in erster Linie für Strukturen in Luft- und Raumfahrtanwendungen eingesetzt und bietet eine hohe Zähigkeit und Restdruckfestigkeit.
Die beobachteten Werte für den Oxidationsanteil der Fasern bleiben auch nach der Excimerlaser-Freilegung unter 5 %. Daher ist der Abtrag des Matrixmaterials mit dem Excimerlaser auch für die Sensorintegration vielversprechend.
Karbonfaserverstärkte Kunststoffe werden im Automobilbereich und der Luftfahrt zunehmend wichtiger. Kurzwellige und in ihrer Lichtleistung bis in den Kilowattbereich skalierbare Excimerlaser-Systeme ermöglichen selektives und damit faserschonendes Bearbeiten mit hohem Durchsatz.
