Laservoorbehandeling CFK-composieten

Koolstofvezelversterkte kunststoffen (CFK) zijn de materialen van de toekomst in de sectoren luchtvaart, mobiliteit en energieopwekking. Losmiddelen die bij het productieproces op het oppervlak van de CFK-componenten blijven liggen, kunnen met korte golf en hoogvermogen Excimerlasers worden verwijderd, zo zegt Ralph Delmdahl van laserproducent Coherent.

Koolstofvezelversterkte composietmaterialen veroveren de markt onophoudelijk, vooral in de bouw van auto’s, vliegtuigen en windenergie-installaties. Nu reeds bedraagt het aandeel van CFK’s in de nieuwste generatie passagiersvliegtuigen meer dan 50 procent. Excimerlasers met een hoog vermogen en tegelijkertijd een ultra korte golflengte kunnen ervoor zorgen dat deze veelbelovende en extreem stabiele lichtgewicht materialen betrouwbaar worden gelijmd.

Om twee CFK-bouwdelen betrouwbaar en duurzaam aan elkaar te kunnen lijmen, moeten eerst de restanten van losmiddelen van hun oppervlak worden verwijderd, die er eerst voor hebben gezorgd dat de bouwdelen niet aan hun vorm blijven plakken. Hier is behoefte aan een nauwkeurige en snelle voorbehandelingsmethode, die het CFK oppervlak reinigt en activeert zonder daarbij de structuur van het koolstofvezelcomposietmateriaal te beïnvloeden. Lasertechnologie biedt in dit opzicht doorslaggevende voordelen ten opzichte van methoden op basis van plasma, mechanische of nat-chemische verwijderingsmethoden. Al deze technieken hebben diverse nadelen met betrekking tot grote oppervlakken en het reproduceerbaar reinigen met hoge doorloopsnelheden in de verdere verwerking van de CFK bouwdelen.

Korte golf Excimerlasers met golflengtes in het ultraviolette spectrumbereik zorgen voor een gerichte verwijdering van de losmiddelen.

Gericht verwijderen
Korte golf Excimerlasers met golflengtes in het ultraviolette spectrumbereik zorgen daarentegen voor een gerichte verwijdering van de losmiddelen, die zich beperkt tot het gebied dicht aan het oppervlak. De zeer korte UV-golflengte van 308 nm is bij typisch ingezette laserenergiedichtheden van 0,6J/cm2 voor de koolstofvezels zogezegd onzichtbaar. Deze inherente laagselectiviteit van de door organische polymeren bijzonder sterk geabsorbeerde Ecxcimer laserpulsen alsmede de gelijkmatige verdeling van de intensiteit van het straalprofiel (Top-Hat-Profil) leiden er bovendien toe dat de verwijderingsdiepte via het aantal pulsen nauwkeurig kan worden ingesteld.
Coherent is leidend in de ontwikkeling van Excimerlasers en UV-optische straalgeleidingen. In vier decennia zijn wereldwijd meer dan 20.000 Excimerlasersystemen aan klanten in de industrie, medische sector en onderzoek geleverd.

UV productiesystemen met een golflengte 308 nm van Coherent voor doorlopend gebruik in drieploegendiensten zijn al met al met gestabiliseerd vermogen schaalbaar tot het multi kilowatt bereik. Voor een typisch bewerkingsveld van 30 x 2 mm en een pulsoverlap van 50 procent kunnen al naar gelang het gebruikte lasermodel processnelheden van 5 tot 50 m2 per uur worden gerealiseerd. Straalgeleidingssystemen en daarmee ook volledig geïntegreerde productiesystemen kunnen voor de verschillende Excimerlaser vermogensklassen nauwkeurig worden aangepast en voor diverse substraatgrootten en benodigde doorlooptijden kostenefficiënt worden ingericht.

De zeer korte UV-golflengte van 308 nm is bij typisch ingezette laserenergiedichtheden van 0,6J/cm2 voor de koolstofvezels zogezegd onzichtbaar.

Lasers met infrarode of zichtbare golflengtes zijn daarentegen niet geschikt omdat hierdoor veel warmte in de composieten binnendringt. De overmatige warmte-inbreng vernietigt de koolstofvezellagen en beschadigt door de bijzondere dieptewerking zelfs de zich daaronder bevindende vezellagen. Als gevolg hiervan is bij tests vaak een ongecontroleerd cohesief materiaalfalen te zien. Onder belasting faalt echter niet de lijm maar het bij voorbaat al beschadigde CFK basismateriaal. De eigenschap van de Excimerlaser, koolstofvezels gericht voor de lijm- en lakvoorbehandeling bloot te leggen, zonder ze daarbij te vernietigen, levert een doorslaggevend procesvoordeel op voor de CFK-bewerking. Ultra korte pulslasers leveren wederom in vergelijking met de Excimerlaser-technologie slechts een fractie van het debiet. De reden hiervoor is het begrensde uitgangsvermogen in het UV-golflengte bereik van deze lasersystemen, die zich vooral voor punctuele of schrijvende toepassingen aanbieden. “De trend bij het verwijderen van losmiddelen van CFK oppervlakken voor de lijm- en lakvoorbereiding gaat daarom richting het gebruik van Excimerlasers”, zegt Ralph Delmdahl. “Het tijdperk van de koolstofvezel composieten ligt voor ons. Excimerlasers effenen de weg naar een betrouwbare verlijming van deze extreem stabiele lichtgewichtmaterialen.”