Die Erfindung betrifft ein Bauteil, das mit mehreren übereinander angeordneten Lagen, die mit faserverstärktem Kunststoffmaterial aufgebaut sind, gebildet ist, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung. Außerdem soll ein Werkstoffabtrag, mit einer vorgegebenen Tiefe ausgehend von einer Oberfläche des Bauteils, mit einem Laserstrahl erfolgen. Die Bauteile können auch mit einer Kombination von faserverstärktem und unverstärktem Kunststoffmaterial gebildet sein.

Es ist bekannt, Bauteile, die aus faserverstärktem Kunststoffmaterial gebildet sind, für viele Applikationen, insbesondere im Leichtbau einzusetzen. Dabei werden auch Bauteile, die mit mehreren übereinander angeordneten und in der Regel stoffschlüssig miteinander verbundenen Lagen aus faserverstärktem Kunststoffmaterial gebildet sind, eingesetzt. Als Fasern können überwiegend Glas-, Kohlenstofffasern oder auch Fasern aus einem keramischen Werkstoff eingesetzt werden.

Geeignete Kunststoffe sind Harze oder Thermoplaste. Die einzelnen Lagen werden üblicherweise bei der Konsolidierung bei erhöhter Temperatur und wirkender Druckkraft, mit der die Lagen zusammen gepresst werden, stoffschlüssig miteinander verbunden.

Bei Bauteilen kann es erforderlich sein, an der Oberfläche Vertiefungen auszubilden, in die beispielsweise Sensoren, Aktoren oder andere elektrische oder mechanische Komponenten eingesetzt werden können. Es kann auch eine Ausbildung von Vertiefungen gewünscht werden, in die ein Schmiermittel mit einem definierten Volumen eingefüllt werden kann. Solche Vertiefungen können als Schmiermitteltaschen bezeichnet werden.

Es kommt bei der Ausbildung von Vertiefungen häufig auf die Einhaltung bestimmter Abmessungen an, was sowohl die Tiefe ausgehend von der Oberfläche, wie auch die Länge und Breite betrifft.

Bei der Ausbildung von Vertiefungen ist ein Werkstoffabtrag ausgehend von einer Oberfläche des jeweiligen Bauteils erforderlich. Dies ist wegen der verstärkenden Fasern aber schwierig. Insbesondere bei mechanisch durchgeführtem Werkstoffabtrag, wie Fräsen oder Schleifen werden Ränder oder Kanten ausgebildet, die Ausbrechungen des Kunststoffes oder herausragende Faserenden aufweisen. Daher ist häufig auch eine aufwändige manuelle Nachbearbeitung erforderlich. Darüber hinaus sind die mechanischen Werkzeuge einem sehr hohen Verschleiß ausgesetzt.

Aufgrund des inhomogenen Aufbaus des Faser-Kunststoffverbundes bereitet auch ein Werkstoffabtrag mit Laserstrahlung wegen der unterschiedlichen Absorption des Kunststoffes und des Fasermaterials Probleme. Durch einen ungleichmäßigen Abtrags beider Materialien ergeben sich Schwierigkeiten bei der maßhaltigen Vertiefungsausbildung entsprechend vorgegebener Abmessungen ganz besonders bei der Einhaltung einer vorgegebenen Tiefe von Vertiefungen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, geeignete Ausbildungen eines Bauteils und eines Halbzeugs dafür sowie Möglichkeiten für die Herstellung eines Bauteils in dem mindestens eine Vertiefung ausgebildet werden soll anzugeben, bei denen eine vorgegebene Maßhaltigkeit und Qualität in einfacher Weise eingehalten werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Bauteil, dass die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Der Anspruch 9 definiert ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.

Das erfindungsgemäße Bauteil ist mit mehreren übereinander angeordneten Lagen, die mit einem Kunststoffmaterial gebildet sind, gebildet. Dabei soll zur Ausbildung einer Vertiefung ein Werkstoffabtrag, mit einer vorgegebenen Tiefe ausgehend von einer Oberfläche des Bauteils, mit einem Laserstrahl erfolgen. Es ist mindestens eine Lage aus einem faserverstärktem Kunststoffmaterial gebildet. Innerhalb des Bauteils ist eine weitere Lage in einer Tiefe angeordnet, so dass die Oberfläche, die in Richtung des auf die Oberfläche der weiteren Lage auftreffenden Brennflecks des Laserstrahls weist, in der Ebene angeordnet ist, bis zu der ein Werkstoffabtrag erfolgen soll.

Der Werkstoff der weiteren Lage weist eine Reflektivität des für einen Werkstoffabtrag eingesetzten Laserstrahls mit mindestens einer Wellenlänge auf, die mindestens 5 % größer, bevorzugt mindestens 7 % größer, als die

Reflektivität der mindestens einen mit faserverstärktem Kunststoff gebildeten Lage (1.1, l.X) ist.

Bevorzugt ist mindestens die Lage, die eine Decklage an einer Oberfläche bildet, mit faserverstärktem Kunststoff gebildet.

Nach einer Bestrahlung mit dem Laserstrahl erfolgt in einem Bereich der Oberfläche ein Werkstoffabtrag ausgehend von der Bauteiloberfläche bis zur in Richtung des auftreffenden Laserstrahls weisenden Oberfläche der weiteren Lage bis eine Vertiefung mit vorgegebenen Abmaßen ausgebildet worden ist. Eine weitere Lage sollte also für die eingesetzte Laserstrahlung transparenter und/oder reflektierender sein als die Lage(n) an denen ein Werkstoffabtrag erfolgen soll.

Die Lagen können auch als Laminate oder Prepregs bezeichnet werden. Die Fasern im faserverstärkten Kunststoffmaterial können in unterschiedlichster Form angeordnet und ausgerichtet sein. Die Fasern können auch als textile Gebilde, wie beispielsweise Gewebe, Gewirke oder Gelege innerhalb der Kunststoff matrix in den Kunststoff eingebettet oder mit Kunststoff beschichtet sein.

Selbstverständlich können über einer weiteren Lage, mehr als eine Lage aus faserverstärktem Kunststoff mit einer kleineren Reflektivität angeordnet sein. Dadurch kann eine Vertiefung mit größerer Tiefe ausgebildet werden.

Der Werkstoffabtrag mit der Energie des eingesetzten Laserstrahls sollte so erfolgen, dass er bis an die bestrahlte Oberfläche einer weiteren Lage reicht.

Es besteht auch die Möglichkeit, einen Werkstoffabtrag von zwei sich gegenüberliegenden Seiten an den entsprechenden Oberflächen des Bauteils vorzunehmen. Dadurch können mehrere Vertiefungen ausgebildet werden. Dabei können mehrere weitere Lagen in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein.

Die Lage(n) an der/denen ein Werkstoffabtrag zur Ausbildung einer Vertiefung erfolgen soll, sollte(n) so ausgebildet sein, dass sie mit einem Kunststoff und/oder Fasern gebildet ist/sind, in dem/denen Pigmente, insbesondere Kohlenstoff, besonders vorteilhaft Ruß enthalten ist oder Fasern eingesetzt sind, die mit oder aus Kohlenstoff gebildet sind.

Eine weitere Lage sollte vorteilhaft ohne Farb-Pigmente oder mit weißen Pigmenten gebildet sein. Es können auch erheblich weniger Pigmente in einer weiteren Lage enthalten sein, als in Lagen von denen ein Werkstoffabtrag zur Ausbildung einer Vertiefung erforderlich ist.

Vorteilhaft kann auf der weiteren Lage eine dritte Lage in Richtung auf einen auftreffenden Laserstrahl unterhalb der mindestens einen Decklage angeord- net sein. Diese dritte Lage sollte aus oder mit einem Werkstoff gebildet sein, dessen Absorption für den eingesetzten Laserstrahl mindestens 10 % kleiner als die Absorption der weiteren Lage ist. Man kann so quasi von einem gradierten Aufbau sprechen. Mit einer solchen Ausführung besteht die Möglich- keit, eine Vertiefung in einem Bereich der Oberfläche des Bauteils auszubilden, die gestufte Tiefen ausgehend von der Oberfläche aufweist. Es kann also in mindestens einem Bereich einer Vertiefung an einem so ausgebildeten Bauteils mit einer Tiefe ausgebildet werden, bei dem ein Werkstoffabtrag mit Laserenergie bis zur Oberfläche der dritten Lage und mindestens ein Bereich der Vertiefung ausgebildet werden, bei dem der Werkstoffabtrag, bis an die Oberfläche einer weiteren, in Bestrahlungsrichtung unterhalb einer dritten Lage angeordneten, weiteren Lage erfolgt.

Eine weitere Lage und/oder eine dritte Lage kann/können aus unverstärktem Kunststoffmaterial gebildet sein und/oder eine abweichende Dicke als die

Lagen aufweisen. Die weitere und/oder dritte Lage kann/können auch aus faserverstärktem Kunststoffmaterial und die Lagen aus unverstärktem Kunststoffmaterial gebildet sein. Diese Art von Lagen kann aber auch an der Oberfläche mit einer die jeweilige Laserstrahlung reflektierenden Beschichtung versehen sein.

Zumindest die Decklage oder die Lagen an denen ein Werkstoffabtrag zur Ausbildung einer Vertiefung erfolgen soll, sollten aus faserverstärktem Kunststoffmaterial gebildet sein, das bei einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge im Bereich 340 nm bis 1900 nm die Laserstrahlung mit mindestens 5 % weniger reflektiert werden, als an einer weiteren oder dritten Lage.

Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils sollte so vorgegangen werden, dass mehrere Lagen aus einem Kunststoffmaterial zwischen denen mindestens eine weitere Lage angeordnet ist, übereinander angeordnet werden, und durch ein Konsolidierungsverfahren bei der zumindest mit einer thermischen Behandlung eine stoffschlüssige Verbindung der Lagen erreicht wird, durchgeführt werden. Dabei ist mindestens eine der Lagen mit faserverstärktem Kunststoff gebildet.

Daran anschließend wird ein auslenkbarer Laserstrahl mit seinem Brennfleck auf eine Oberfläche mit einer Leistung gerichtet, so dass in einem

vorgebbaren Oberflächenbereich des Bauteils ein Werkstoffabtrag bis zur Oberfläche der weiteren Lage erreicht und eine Vertiefung an der bestrahlten Oberfläche des Bauteils ausgebildet wird.

Der Brennfleck des Laserstrahls kann dabei mehrfach über den Oberflächenbereich, in dem der Werkstoffabtrag erfolgen soll, bewegt werden. Es kann ein Laserstrahl eingesetzt werden, dessen Wellenlänge zwischen 340 nm und 1900 nm ist.

Der Laserstrahl kann gepulst, bevorzugt mit einer Ein- und Ausschaltzeit im Bereich 10 ns bis 50 ns betrieben werden.

Der Brennfleck sollte mit einer Vorschubgeschwindigkeit im Bereich 1500 mm/s bis 3500 mm/s bewegt und der Laserstrahl mit einer Leistung im Bereich 5 W bis 30 W betrieben werden.

Zwischen mindestens einer Lage und der weiteren Lage kann eine dritte Lage angeordnet und in das Bauteil konsolidiert werden. Anschließend kann ein Werkstoffabtrag in einem Bereich des Bauteils ausgehend von einer Oberfläche des Bauteils bis zur Oberfläche der dritten Lage mit dem Laserstrahl durchgeführt werden. Dabei kann in einem weiteren Bereich ein Werkstoffabtrag der dritten Lage und mindestens einer aus faserverstärktem Kunststoffmaterial gebildeten Lage mit dem Laserstrahl durchgeführt werden, so dass eine Vertiefung in der Oberfläche des Bauteils ausgebildet werden kann, die zweifach in ihrer Tiefe abgestuft ist oder mindestens zwei Vertiefungen in der Oberfläche des Bauteils ausgebildet werden, die jeweils eine unterschiedliche Tiefe aufweisen.

Mit einer über einer weiteren Lage angeordneten dritten Lage kann ein gradierter Aufbau bzgl. des Absorptionsverhaltens für die Laserstrahlung erhalten werden. Eine dritte Lage kann beispielsweise andere oder weniger Pigmente aufweisen.

Eine weitere und eine dritte Lage kann man auch als Barriere, insbesondere eine optische Barriere bezeichnen. Sie behindern oder erschweren das Einkoppeln der Laserstrahlung, so dass der Werkstoff der jeweiligen Lage durch den Einfluss der Laserstrahlung nicht abgetragen wird. Außerdem kann das Prozessfenster für den Betrieb des Laserstrahls, insbesondere gegenüber einem Betrieb eines Lasers mit ultrakurzen Pulsen vergrößert und damit auch die Produktivität erhöht werden. Es kann mit höherer Leistung der Laserstrahlung gearbeitet werden. Das Verfahren ist somit auch für die Fertigung großer Stückzahlen geeignet.

Vorgegebene Maße von auszubildenden Vertiefungen können genauer eingehalten werden, ohne dass eine aufwändige Nachbearbeitung erforderlich ist.

Vertiefungen können reproduzierbar an vielen Bauteilen ausgebildet werden.

Eine Beeinflussung der Eigenschaften des Bauteils tritt durch den Einsatz von weiteren bzw. dritten Lagen nicht oder nur in sehr geringem Umfang auf.

In Vertiefungen können Bauelemente, wie z.B. Sensoren, Aktoren oder Verstärkungselemente passgenau eingesetzt und dadurch vorteilhaft auch formschlüssig gehalten werden.

So kann man beispielsweise für Lagen, die mit faserverstärktem Kunststoff gebildet sind schwarz eingefärbtes Polyamid PA6-GF und für eine weitere Lage transparentes PA6-GF einsetzen.

Schwarz eingefärbtes PA6-GF hat eine Reflektivität von 5 % bei den Laserwellenlängen 355 nm, 532 nm oder 1064 nm. Transparentes PA6-GF hat eine Reflektivität von 15 % bei einer Wellenlänge von 355 nm, eine Reflektivität von 45 % bei einer Wellenlänge von 532 nm oder eine Reflektivität von 35 % bis 40 % bei einer Wellenlänge von 1064 nm. Die genannten Werte beziehen sich auf den Ausgangszustand des jeweiligen Kunststoffes vor der Bestrahlung mit dem Laserstrahl.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Dabei können Merkmale der einzelnen Beispiele unabhängig vom jeweiligen Beispiel mit einem anderen Beispiel und auch mit Merkmalen, die im allgemeinen Teil der Beschreibung enthalten sind, kombiniert werden. Dabei zeigen:

Figur 1 eine Schnittdarstellung durch ein Beispiel eines erfindungsge- mäßen Bauteils und

Figur 2 eine Schnittdarstellung durch ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils.

In Figur 1 ist ein F KV-Bauteil 6 mit fünf Lagen 1.1 bis 1.5 aus Laserstrahlung stark absorbierenden faserverstärktem Kunststoff gezeigt. Dabei sind drei Lagen 1.3 bis 1.5 übereinander angeordnet. Zur I ntegration eines I nserts soll in dem Bauteil ein Volumenabtrag von 0,5 mm Tiefe zur Ausbildung einer Ver- tiefung realisiert werden. Diese Tiefe der Vertiefung 4 in einer Oberfläche des

Bauteils 6 entspricht der Position der Oberfläche einer weiteren Lage 2, die oberhalb der drei Lagen 1.3 bis 1.5 angeordnet ist. Diese weitere Lage 2 beinhaltet keinen Absorber in Form von Ruß. Auf der weiteren Lage sind zwei Lagen 1.1 und 1.2 ebenfalls übereinander angeordnet. Der gesamte Lagenauf- bau wurde in der Heißpresse konsolidiert wobei die Lagen stoffschlüssig miteinander verbunden worden sind. I n den Lagen 1.1 bis 1.5 war Ruß enthalten, so dass Laserstrahlung, die auf die oberste Lage 1.1 als Decklage und der Lage 1.2 gerichtet wird, mit mindestens 60 % mehr als vom Werkstoff der weiteren Lage 2 absorbiert wird.

Das konsolidierte Bauteil 6 hatte eine Gesamtdicke von 2 mm und wurde mit einem Laserstrahl, der von einer gepulst betriebenen Laserstrahlquelle mit einer Wellenlänge im Bereich 340 nm - 360 nm und Nanosekunden-Pulsen (10 bis 50 ns) auf die nach außen weisende Oberfläche der Decklage 1.1 ge- richtet wird, bestrahlt. Zur zweidimensionalen Strahlablenkung wird ein Galvanometerscanner mit Planfeldoptik (Brennweite 163 mm) verwendet. Der Laserstrahl wird dabei in Form paralleler, sich überlappender Linien über die jeweilige Oberfläche innerhalb des Bereichs, in dem die Vertiefung 4 ausgebildet werden soll, geführt. Die Anzahl der Wiederholungen ist so zu wählen, dass mindestens die Oberfläche der weiteren Lage 2 freigelegt worden ist.

Dies kann normalerweise in etwa mit 60 bis 120 Prozesszyklen (Überfahrten) erreicht werden. Zu viele Zyklen verursachen dank der optischen Eigenschaften der weiteren Lage 2 als optische Barriereschicht keinen zusätzlichen Werkstoffabtrag. Unabhängig von der Faserausrichtung ist eine Schraffur mit sich kreuzenden Linien am besten geeignet, um ein gleichmäßiges Abtragsbild umzusetzen. Da die Laser-Parameter stets geometrieabhängig sind, gelten diese Angaben lediglich für eine Bearbeitungsfläche für ein Quadrat von rund 10 mm bis 30 mm Kantenlänge für Breite und Länge der Vertiefung 4. Eine Anpassung an andere Dimensionierungen einer auszubildenden Vertiefung kann leicht in wenigen Versuchen vorgenommen werden.

So kann eine Laserleistung von 5 W bis 12 Watt bei einer Vorschubgeschwindigkeit des Brennflecks von 1500 mm/s bis 3500 mm/s benutzt werden.

Zu Gunsten einer höheren Flexibilität in der Fertigung ist ein gradueller opti- scher Übergang in Form von Graustufen von der Lagen 1.1 über eine dritte

Lage 5 zu der weiteren Lage 2 denkbar. So kann ein verminderter, durch die Bearbeitungsparameter steuerbarer Volumenabtrag in unterschiedlichen Tiefen umgesetzt werden. Bei dem in Figur 2 gezeigten Beispiel ist unterhalb der Decklage 1.1 eine dritte

Lage 5 angeordnet, die mit einer geringen Anzahl von Rußpigmenten eingefärbt ist und dadurch eine um 15 % kleinere Absorption der eingesetzten Laserstrahlung bewirkt, als dies bei der Decklage 1.1 der Fall ist. Unterhalb ist eine mit weißen Pigmenten versehene weitere Lage 2 angeordnet, die mit ihren Eigenschaften der weiteren Lage 2 gemäß des Beispiels nach Figur 1 entspricht.

Dabei kann ein Bereich der Oberfläche des Bauteils 6 mit dem Laserstrahl so bestrahlt werden, dass ein Bereich 3 einer Vertiefung 4 ausgebildet wird, der eine geringere Tiefe der Vertiefung 4 aufweist, als der Bereich einer Vertiefung, in dem auch der Werkstoff der dritten Lage 5 mit der Energie des Laserstrahls abgetragen worden ist. Die Vertiefung 4 weist somit eine zweifach gestufte Vertiefung mit Bereichen, die jeweils eine unterschiedliche Tiefe aufweisen, auf.

In nicht dargestellter Form kann eine Vertiefung 4 ausgebildet werden, in de- nen mehr als zwei Bereiche mit unterschiedlicher Tiefe vorhanden sind.

Im Übrigen können die gleichen Parameter, wie zum Beispiel nach Figur 1 erläutert, genutzt werden.

Bei den Lagen 1.1 bis 1.5 handelt es sich bei beiden Beispielen um glasfaserverstärktes Polyamid mit einem hohen Rußgehalt.

Die weitere Lage 2 ist ebenfalls aus glasfaserverstärktem Polyamid ohne Ruß und die dritte Lage 5 ist ebenso aus glasfaserverstärktem Polyamid mit einem mittleren Rußgehalt gebildet.

Bei Bedarf kann eine Steigerung der Laserleistung bei einem Werkstoffabtrag der dritten Lage 5 angewendet werden. In diesem Falle stoppt der Laserabtrag an der Grenze zur weiß eingefärbten weiteren Lage 2.