Schneiden keramischer Faserverbundwerkstoffe (CMC) · Für die CMC-Materialien Al2O3/Al2O3 und...
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94 Jahresbericht 2019 Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, www.ilt.fraunhofer.de DQS zertifiziert nach DIN EN ISO 9001, Reg.-Nr.: DE-69572-01 Änderungen bei Spezifikationen und anderen technischen Angaben bleiben vorbehalten. 04/2020. 1 Bohrung mit Ø 10 mm in Al 2 O 3 /Al 2 O 3 . 2 Querschliff der Schnittfuge (Detail). Aufgabenstellung Keramische Faserverbundwerkstoffe (Ceramic Matrix Com- posites – CMC) bilden eine junge Werkstoffgruppe, bei der keramische Fasern in eine keramische Matrix eingebettet und dadurch die Dehnbarkeit und der Risswiderstand im Vergleich zu konventioneller technischer Keramik erhöht werden. Die hochtemperatur- und abrasionsbeständigen Materialien werden u. a. in der Luft- und Raumfahrt und im Turbinenbau eingesetzt. Die mechanischen Eigenschaften von CMCs machen die Bearbeitung extrem aufwendig. Laserschneiden bietet durch den verschleiß- und kräftefreien Betrieb Fertigungsvorteile gegenüber konventionellen Verfahren wie Fräsen oder Bohren. Vorgehensweise Für die CMC-Materialien Al2O3/Al2O3 und SiC/SiC werden Schneidverfahren mit cw-Faserlasern untersucht. An dem 3–4 mm dicken Probenmaterial werden sowohl das Remote- schneiden mit einem Scanner im Mehrfachabtrag als auch das gasunterstützte Schneiden mit einer konventionellen Fokussieroptik und direkter Ausbildung einer durchgängigen Fuge untersucht. Mit Laserleistungen bis zu 5 kW soll ein Parameterfeld erschlossen werden, das zu wirtschaftlichen Bearbeitungszeiten führt. Ergebnis Mit beiden Schneidverfahren können die Materialien sowohl rissfrei als auch mit Schneidgeschwindigkeiten im Bereich von mehreren Metern pro Minute getrennt werden. Saubere Schnittkanten werden vor allem mit Schneidgasunterstützung erreicht, wodurch die Wiederanlagerung von Abtragprodukten auf der Schnittfläche minimiert wird. Bei SiC/SiC bildet sich nur eine dünne, nicht durchgängige Recastzone aus. Anwendungsfelder Aufgrund hoher Materialkosten ist der Einsatz von CMC aktuell noch Hochtechnologiefeldern in der Luft- und Raum- fahrt sowie im Anlagenbau vorbehalten. Kostengünstige und zuverlässige Bearbeitungsmöglichkeiten durch Laserverfahren können einen Beitrag zur weiteren Verbreitung dieser tech- nologisch vielversprechenden Werkstoffgruppe leisten. Ansprechpartner Dr. Frank Schneider Telefon +49 241 8906-426 [email protected] Dr. Dirk Petring Telefon +49 241 8906-210 [email protected] SCHNEIDEN KERAMISCHER FASERVERBUNDWERKSTOFFE (CMC) 1 2
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94 Jahresbericht 2019 Jahresbericht 2019 95Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, www.ilt.fraunhofer.de
DQS zertifiziert nach DIN EN ISO 9001, Reg.-Nr.: DE-69572-01
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, www.ilt.fraunhofer.de
DQS zertifiziert nach DIN EN ISO 9001, Reg.-Nr.: DE-69572-01
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1 Bohrung mit Ø 10 mm in Al2O3/Al2O3.
2 Querschliff der Schnittfuge (Detail).
Aufgabenstellung
Keramische Faserverbundwerkstoffe (Ceramic Matrix Com-
posites – CMC) bilden eine junge Werkstoffgruppe, bei der
keramische Fasern in eine keramische Matrix eingebettet und
dadurch die Dehnbarkeit und der Risswiderstand im Vergleich
zu konventioneller technischer Keramik erhöht werden.
Die hochtemperatur- und abrasionsbeständigen Materialien
werden u. a. in der Luft- und Raumfahrt und im Turbinenbau
eingesetzt. Die mechanischen Eigenschaften von CMCs
machen die Bearbeitung extrem aufwendig. Laserschneiden
bietet durch den verschleiß- und kräftefreien Betrieb
Fertigungsvorteile gegenüber konventionellen Verfahren
wie Fräsen oder Bohren.
Vorgehensweise
Für die CMC-Materialien Al2O3/Al2O3 und SiC/SiC werden
Schneidverfahren mit cw-Faserlasern untersucht. An dem
3–4 mm dicken Probenmaterial werden sowohl das Remote-
schneiden mit einem Scanner im Mehrfachabtrag als auch
das gasunterstützte Schneiden mit einer konventionellen
Fokussieroptik und direkter Ausbildung einer durchgängigen
Fuge untersucht. Mit Laserleistungen bis zu 5 kW soll ein
Parameterfeld erschlossen werden, das zu wirtschaftlichen
Bearbeitungszeiten führt.
Ergebnis
Mit beiden Schneidverfahren können die Materialien sowohl
rissfrei als auch mit Schneidgeschwindigkeiten im Bereich
von mehreren Metern pro Minute getrennt werden. Saubere
Schnittkanten werden vor allem mit Schneidgasunterstützung
erreicht, wodurch die Wiederanlagerung von Abtragprodukten
auf der Schnittfläche minimiert wird. Bei SiC/SiC bildet sich nur
eine dünne, nicht durchgängige Recastzone aus.
Anwendungsfelder
Aufgrund hoher Materialkosten ist der Einsatz von CMC
aktuell noch Hochtechnologiefeldern in der Luft- und Raum-
fahrt sowie im Anlagenbau vorbehalten. Kostengünstige und
zuverlässige Bearbeitungsmöglichkeiten durch Laserverfahren
können einen Beitrag zur weiteren Verbreitung dieser tech-
nologisch vielversprechenden Werkstoffgruppe leisten.
Ansprechpartner
Dr. Frank Schneider
Telefon +49 241 8906-426
Dr. Dirk Petring
Telefon +49 241 8906-210
SCHNEIDEN KERAMISCHER FASERVERBUNDWERKSTOFFE (CMC)
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