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Autoklavfreie Fertigung von Faserverbundstrukturen

Autoklavfreie Fertigung von Faserverbundstrukturen

© IFW

In der Regel werden großflächige Faserverbundstrukturen hergestellt, indem dünne Faserhalbzeuge zunächst auf einem Formwerkzeug platziert und anschließend unter Anwendung von hohen Temperaturen und Drücken in einem Autoklavprozess zu einer fertigen Struktur ausgehärtet werden. Zur Vermeidung des energieintensiven Autoklaven wurde am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover in Zusammenarbeit mit der TU Clausthal und der TU Braunschweig ein neuartiges Fertigungssystem entwickelt.

Thermoplastische Kunststoffe besitzen im Vergleich zu Duroplasten die besondere Eigenschaft der Schmelzbarkeit. Eingesetzt als Matrixwerkstoffe in Faserverbundhalbzeugen ergibt sich dadurch das Potential, eine belastbare Fügeverbindung zwischen den Halbzeugen direkt bei der Formgebung herzustellen. Eine Technologie, die dieses Potential ausnutzt, ist das Automated Fiber Placement (AFP), bei dem Tapes lagenweise platziert und so additiv zu einer Gesamtstruktur gefügt werden. Mit Hilfe von strahlungsbasierten Heizmethoden werden die Tapes beim Ablegen auf Schmelztemperatur erwärmt und im Anschluss durch die Konsolidierungsrolle mit den bereits abgelegten Tapes gefügt. Die Herausforderung in der autoklavfreien Fertigung besteht allerdings darin, gleichwertige mechanische Eigenschaften des fertigen Bauteils zu erreichen. Dabei steht im AFP eine wesentlich geringere Fügezeit zur Verfügung als im Autoklavprozess, sodass der zeitkritische Fügeprozess in kürzerer Zeit ablaufen muss. Des Weiteren spielt die Temperaturhistorie eine entscheidende Rolle für eine hohe Bauteilqualität.

Aktuell verfügbare AFP-Systeme besitzen in der Regel zwei prozessrelevante Module. Auf der einen Seite einen Diodenlaser zur Erwärmung der Tapes und auf der anderen Seite eine Konsolidierungsrolle zum Zusammenpressen der erwärmten Tapes. Beide Module arbeiten sequentiell, d. h. mit Übergang von der Laserzone in die Rollenzone beginnt die Abkühlung der Tapes. Um dennoch während des Zusammenpressens die Schmelztemperatur zu halten, wird das Material stark überhitzt oder die Legegeschwindigkeit erhöht. Beide Strategien sind mit Nachteilen in Bezug auf die Fügequalität verbunden.

Im Gegensatz zum Stand der Technik besitzt die am IFW entwickelte AFP-Maschinentechnologie zwei aktive Module, die eine gezielte Steuerung der Temperatur während des gesamten Prozessablaufs ermöglichen. Für das Erwärmen der Tapes wird ein segmentierter VCSEL-Diodenlaser eingesetzt. Mit diesem wird die individuelle Erwärmung einzelner Tapezonen im Millisekundenbereich ermöglicht. Durchgeführte Untersuchungen zeigen bereits das Potential für eine homogene Erwärmung der Tapes auch in den kritischen Randbereichen. Eine weitere Neuheit der entwickelten Maschinentechnologie ist die piezoelektrisch aktuierte Konsolidierungsrolle, mit der hochfrequente Schwingungen in die zu fügenden Tapes eingebracht werden können. Durch die Schwingungsanregung wird beim Zusammenpressen zusätzliche Wärme in den Tapes dissipiert. Außerdem ergibt sich ein weiterer Vorteil durch die Herabsetzung der Viskosität in der Fügezone, was zu einer verbesserten Verbindung der Tapes führt. Erste Ergebnisse zeigen hier ein verringertes Auftreten von Poren, was ein Anzeichen für eine verbesserte Fügung ist. Zusätzlich wird aktuell eine Nachkonsolidiereinheit konzeptioniert, die ein gezieltes Abkühlen der Tapes ermöglicht. Hierdurch soll der Kristallisationsgrad des Laminates gezielt eingestellt werden – ein entscheidender Punkt für die mechanischen Eigenschaften der Struktur.

Die entwickelte Maschinentechnologie wird zurzeit in einem 4-Achs-Versuchsstand betrieben. Dementsprechend wird in aktuellen Forschungsarbeiten das grundlegende Zusammenwirken der drei Prozessmodule und deren Einfluss auf die Strukturqualität an ebenen Proben mit unterschiedlichen Faserorientierungen erforscht. Wenn in naher Zukunft die Grundlagenuntersuchungen abgeschlossen sind, erfolgt die Skalierung der Technologie über den Einsatz von Industrierobotern und der Transfer der Ergebnisse auf industriell nutzbare Bauteile, wie z. B. Medienbehälter oder Rohrstrukturen.

Für weitere Informationen steht Ihnen Dr.-Ing. Carsten Schmidt, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover, unter Telefon (+49 (0) 4141 77638 11) oder per Mail (schmidt_c@ifw.uni-hannover.de) gern zur Verfügung.