Etablierung von FVK in der Großserie

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) nehmen als hochbelastbare Leichtbauwerkstoffe eine Schlüsselrolle für die Reduktion von Energie, Material und Emissionen in unterschiedlichen Anwendungen und Branchen ein. Dabei ist der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen heute nicht mehr auf variantenreiche Kleinserien oder Einzelstücke beschränkt. Mit heutigen Produktionsprozessen lassen sich bereits kurze Zykluszeiten im Minutenbereich und damit große Serien wirtschaftlich realisieren.

Das IKV betrachtet schwerpunktmäßig die folgenden Prozessketten für faserverstärkte Duroplaste und Thermoplaste:

  • Flüssigimprägnierverfahren endlosfaserverstärkter Duroplaste (RTM und Nasspressen)
  • Herstellung und Umformung endlosfaserverstärkter Thermoplaste (UD-Tapes und Organobleche)
  • Kontinuierliche Rovingverarbeitung (Pultrusion und Wickeln)
  • Fließpressen langfaserverstärkter Pressmassen
  • Spritzgießen kurz- und langfaserverstärkter Thermoplaste und Duroplaste

Im Fokus steht dabei neben den technischen Aspekten immer die Großserientauglichkeit bzw. Wirtschaftlichkeit der Verarbeitungsverfahren.

Interdisziplinäre Forschung zu faserverstärkten Duroplasten und Thermoplasten

Für die wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen in größeren Stückzahlen besteht die wesentliche Herausforderung nicht mehr allein in der Erzielung hoher Bauteileigenschaften und einer weiteren Optimierung der Zykluszeiten, sondern insbesondere in der:

- Steigerung der Kosten- bzw. Materialeffizienz
- Erhöhung der Robustheit und Produktivität der Fertigungsprozesse
- richtigen Dimensionierung der Bauteile zur vollen Ausnutzung des Werkstoffpotenzials
- Individualisierung und Selbstregulation der Fertigungsprozesse 

Um die oben genannten Herausforderungen ganzheitlich zu lösen, bildet die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit mit den Forschungspartnern des Composite-Netzwerks der RWTH Aachen University den Schlüssel zur erfolgreichen Überführung von faserverstärkten Kunststoffen in die Großserie.

Das IKV erforscht mit seinen Forschungspartnern seit mehr als 30 Jahren Verarbeitungsverfahren und Prozessketten für faserverstärkte Kunststoffe und weitere Leichtbauwerkstoffe unter werkstoffwissenschaftlichen und produktionstechnischen Aspekten bis hin zur vollständigen Prozesskettenintegration und dem Up-Scaling beim durch das IKV mitgegründeten Aachener Zentrum für integrativen Leichtbau (AZL).

Aktuelle Forschungsthemen im Bereich der faserverstärkten Kunststoffe

In dem Forschungsprojekt „CFK-Karosserieaußenhautbauteile für die Großseriesind werkstoffgerechte Bauweisen und großserientaugliche Fertigungsstrategien für großflächige Karosserie­außen­haut­bauteile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) mit dem Ziel des effizienten Leichtbaus entwickelt worden. Zur Fertigung der zu entwickelnden Bauteile wurde ein neuartiges Verfahren, das Spaltimprägnierverfahren, im Hinblick auf die Fertigung in Zykluszeiten von unter 15 Minuten am IKV bis zur Serienreife entwickelt.

Bei diesem Verfahren lässt sich zur Imprägnierung der Fasern ein temporärer Fließspalt erzeugen, der nach der Einleitung des Harzsystems durch ein geeignetes Schließkonzept geschlossen werden kann. So lassen sich Bauteile mit sowohl monolithischem als auch sandwichartigem Aufbau mit beidseitig glatten und hochwertigen Oberflächen, hoher Laminatqualität, Prozessrobustheit und in kurzen Zykluszeiten reproduzierbar herstellen.

Entwicklungsziel des Forschungsvorhabens sind die anforderungs-, werkstoff- und fertigungsgerechte Auslegung von Außenhautbauteilen für dieses neu entwickelte Fertigungsverfahren sowie die Optimierung des Verfahrens für die Fertigung dieser Bauteile. Als Ergebnis wurde ein Technologiedemonstrator in Form einer Motorhaube für den Ford Focus hergestellt, der die Ergebnisse der neuen Technologie nachweist und das Potenzial praktisch aufzeigt.

Im Forschungsprojekt „InPulSE“ kombiniert das IKV seine Kompetenzen aus den Bereichen Extrusion und Faserverstärkte Kunststoffe. In dem integrierten Verfahren wird kontinuierlich ein Hybridprofil gefertigt, das einen hochsteifen, leichten, duroplastischen faserverstärkten Kern mit funktionalen, schweißbaren, optisch und haptisch hochwertigen thermoplastischen Oberflächen verbindet.

Die Herstellung von CFK Sichtbauteilen mit hohen Faservolumengehalten erfordert bis heute in den meisten Fällen eine aufwändige Nachbearbeitung und Lackierung. Zur effizienten Herstellung von CFK Sichtbauteilen mit hohen Faservolumengehalten wird am IKV aktuell ein Verfahren zur prozessintegrierten Aufbringung einer qualitativ hochwertigen Oberflächenschicht entwickelt. Hierzu wird ein PUR-Sprühverfahren mit einem klassischen Nasspressverfahren kombiniert. Die prozessintegriert aufgebrachte Oberflächenschicht kann dabei entweder aus dem gleichen Material wie die Matrix bestehen oder aus einem aliphatischen PUR System. Letzteres ist dabei glasklar, UV-stabil und selbstheilend und kann damit im Innenraum auch ohne zusätzlich Lackierung eingesetzt werden.

·       Die Sandwichbauweise bietet hinsichtlich hoher Steifigkeiten bei geringem Gewicht ein hohes Potenzial. Die Herstellung struktureller 3D-Sandwichbauteile mit endlosfaserverstärkten Deckschichten ist bisher jedoch nicht effizient möglich, da mehrere Prozessschritte zur Schaumausformung sowie der Imprägnierung der Decklagen erforderlich sind.  Ziel des Projektes PUR-LIT ist daher die Weiterentwicklung der PUR-Sprüh-Prozesskette zur Fertigung komplexer FVK-Sandwichbauteile in der Großserie. Hierbei soll die Herstellung des 3D Schaumkerns in den Formungs- und Vernetzungsschritt der Decklagen integriert werden.

 

 

Das Projekt „iComposite 4.0“ verfolgt den Ansatz eines intelligenten Produktionssystems, welcher unter anderem durch eine Verknüpfung der einzelnen Komponenten mit einem regelnden Produktionsleitsystem realisiert wird. Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer flexiblen und selbst-regulierenden Produktionsanlage zur wirtschaftlichen und qualitätsüberwachten Serienproduktion von RTM-Strukturbauteilen mit 3D-fasergespritzten Preforms und bedarfsorientierter Endlosfaserverstärkung. Hierdurch wird neben einer bloßen Regelung der Prozessparameter auch eine Regelung der finalen Bauteileigenschaften ermöglicht – der Paradigmenwechsel von einer toleranzbasierten zu einer produktfunktionsgetriebenen Fertigung.

Ziel des DFG-Forschungsprojektes in Zusammenarbeit mit dem Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (Dresden), dem Institut für Statik und Dynamik (Hannover) und dem Institut für Kunststoffe und Verbundwerkstoffe (Hamburg) ist die physikalisch basierte Verallgemeinerung vorhandener Schädigungsevolutionsmodelle für faserverstärkte Kunststoffe (FVK) als essentieller Bestandteil der Vorhersage des Ermüdungsverhaltens.

Als besondere Herausforderungen bei der Modellierung des Schädigungsverhaltens von FVK gelten die gegenwärtig nur unzureichend verstandenen unterschiedlichen Schädigungsmechanismen im Zug- und Druckbereich und ihre Interaktionen unter wechselnden Belastungen.

Im Forschungsvorhaben wird daher mit Hilfe numerischer Analysen auf Mikroebene sowie der experimentellen Beobachtung durch optische Spannungsanalysen und der in-situ-Computertomografie ein Modell für das veränderliche Spannungs-Verzerrungs-Verhalten bei zyklischer Belastung mit Lastrichtungsumkehr formuliert. 

Im Rahmen der interaktiven Reparaturwerkstatt der Zukunft für CFK-Fahrzeuge wird ein hocheffizienter Reparaturablauf für zukünftige Fahrzeuggenerationen entwickelt. Der steigende Anteil an Hochleistungsfaserverbundkunststoffen in modernen Fahrzeugkonzepten führt bei heutigen Reparaturen zum Austausch ganzer Fahrzeugkomponenten oder einem hohen manuellen Aufwand von speziell ausgebildeten Fachkräften. Im Rahmen des Projekt wird eine automatisierte sensorbasierte Schadenserkennung und Evaluierung in der Werkstatt genutzt, um anschließend einen individuell gefertigten Reparaturpatch zu entwerfen. Der Patch wird in innovativen adaptiven Werkzeugen bei einem Dienstleister in Faserverbundbauweise gefertigt und an die Werkstatt als Ersatzteil geliefert. Somit wird die bereits bestehende Werkstattinfrastruktur für die Herausforderungen zukünftiger KFZ-Reparaturen gerüstet.

Das Projekt LightFlex erweitert in einer neuartigen Prozesskette das bisher durch kombinierte Umform- und Hinterspritzprozesse abbildbare Produktportfolio durch eine werkzeugungebundene Fertigung individualisierter TP-FVK Bauteile auf Basis von Rapid-Prototypingstrukturen und individuell angepassten, belastungsgerecht verstärkten Organoblechen. So soll die Bauteilentwicklung beschleunigt und dabei das Eigenschaftsprofil der Bauteile gegenüber herkömmlichen Additive Manufacturing-Verfahren verbessert werden. Durch den werkzeugungebundenen Fertigungsansatz sind für die Bauteilentwicklung besondere Einsparungen im Bereich der Werkzeugtechnik zu sehen.

Mit dem Ziel eine inline qualitätsgesicherte und regelbare Fertigung von Luftfahrtbauteilen im RTM-Prozess zu ermöglichen, wurde gemeinsam mit den Firmen Airbus Operations GmbH, Stade, und Fill Gesellschaft m.b.H., Gurten, Österreich eine neuartige Injektionsanlage entwickelt. Basierend auf Einwegkartuschen ermöglicht die neuartige Injektionseinheit die Fertigung von RTM-Bauteilen unter kontrollierten Bedingungen. Die Injektionseinheit ist mit einer Sensorbox ausgestattet in der neben Temperatur- und Drucksensoren auch ein dielektrischer Sensor verbaut ist. Hierdurch ist unteranderem eine inline Messung des Vernetzungsgrades des Harzes sowie der Viskosität möglich. Während der Vernetzungsgrad für die qualitätsgesicherte Fertigung relevant ist, bietet die Viskositätsmessung das Potential einer integrierten Regelung des Injektionsprozesses.

Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) erfahren im Laufe ihrer Einsatzlebensdauer häufig eine zyklische Beanspruchung. Daher ist neben einer statischen Auslegung die rechnerische Vorhersage der Einsatzlebensdauer insbesondere für sicherheitsrelevante Bauteile zwingend erforderlich.

Das Ziel des SPP 1466 besteht darin, ein grundlegendes Verständnis des Ermüdungs- und des Bruchverhaltens von aus unidirektionalen (UD)-Einzelschichten aufgebauten Laminaten unter schwingender Belastung mit bis zu 108 Lastwechseln aufzubauen und modellhaft zu beschreiben. Besonders das notwendige grundlegende Verständnis der Mikroschädigungsentwicklung UD-verstärkter Einzelschichtenwurde durch experimentelle Arbeiten unter mehrachsigen Beanspruchungszuständen erarbeitet.

Mit insgesamt 13 Partnern aus unterschiedlichen Branchen der Kunststoffindustrie demonstrierte das IKV erstmalig zur K 2016 die Umsetzung von Industrie 4.0 in der Kunststoffverarbeitung anhand einer Fertigungszelle. Ziel des Projektes ist eine variantenreiche Produktion thermoplastischer Leichtbauteile, wobei die gesamte Fertigung im Sinne des Industrie 4.0-Ansatzes vernetzt ist und eine lückenlose Dokumentation von der  Auftragseinlastung über die Produktionsdaten bis zur nachgeschalteten Qualitätssicherung ermöglicht. Die Messebesucher können den Produktionsprozess aktiv steuern und sich ein personalisiertes Bauteil aus mehreren Varianten aussuchen und fertigen lassen. Dabei können die Produktionsparameter Schussvolumen, Bauteildicke und Art der Faserverstärkung von Schuss zu Schuss variiert werden. Der Demonstrator besteht aus einem formgebenden PP-LGF-Schaum und wird wahlweise um unidirektionale Laminate an der Ober- und Unterseite ergänzt. Die im Schaumspritzgießprozess genutzte ProFoam-Technologie sorgt für eine materialschonende Verarbeitung des langglasfaserverstärkten Polypropylens und führt durch große Restfaserlängen im Bauteil zu einer konsequenten Umsetzung des Leichtbaugedankens. Durch die Kombination des robusten Spritzgießprozesses mit der ressourceneffizienten Nutzung von Endlosfaserverstärkungen kann so ein wirtschaftlicher Prozess für die individualisierte Herstellung von thermoplastischen Leichtbauteilen realisiert werden, die an die jeweiligen Kundenanforderungen angepasst sind.

Zur effizienten und verschnittarmen Herstellung von komplexen semistrukturellen FVK Bauteilen wurde am IKV Aachen der Faserspritzprozess entwickelt. Dieser Prozess ermöglicht die Produktion von 3D Preforms zur Weiterverarbeitung sowohl zu duroplastischen als auch zu thermoplastischen FVK. Durch die additive Ablage vororientierter Langfasern in einer definierten Länge (5 mm -70 mm) lassen sich die Preforms dabei lokal variabel hinsichtlich Faserlänge, Flächengewicht und Faserorientierung einstellen. Die Bauteile können somit bezogen auf ein lastpfadgerechtes Design und eine maximierte Materialausnutzung optimal ausgelegt werden und bieten damit ein hohes Leichtbaupotenzial.

Die Forschergruppe FOR 860 betrachtet die Fertigung von endlos FVK ganzheitlich vom Roving bis zum endgültigen Bauteil mit der wesentlichen Zielsetzung der Erhöhung der Serientauglichkeit der eingesetzten Fertigungsverfahren. Dabei werden drei Prozessketten erforscht, die alle mit der Herstellung von Faserpreforms beginnen und im einsatzfähigen Bauteil enden. Innerhalb der Forschergruppe wird eine gesamtheitliche Betrachtung der kompletten Wertschöpfungskette vom Roving bis hin zum fertigen Bauteil durchgeführt.

Dipl.-Wirt.-Ing. Arne Böttcher

Abteilungsleiter Faserverstärkte Kunststoffe und Polyurethane +49 24180-923884 arne.boettcher@ikv.rwth-aachen.de

Bei allen Fragen rund um die Themen Leichtbau und Faserverstärkte Kunststoffe stehe ich Ihnen gerne zur Verfügung.

Wir entwickeln Lösungen für die Industrie

Für die praktische Durchführung von industriellen Gemeinschafts-forschungsprojekten oder bilateralen Forschungsprojekten steht unser umfassend ausgestattetes FVK-Technikum zur Verfügung. Wir verfügen dort über verschiedene Umform- und Pressanlagen, Formenträger, eine Wickelanlage, eine Pultrusionsanlage, ein PUR-Sprühzentrum, Tapeherstellung. Darüber hinaus steht eine Vielzahl an Formwerkzeugen, Temperiertechnik  und Sensorik zum Einsatz bereit.

Industriekunden bieten wir

  • Charakterisierung von Werkstoff- und Verarbeitungseigenschaften
  • Praktische Erprobung neuer Materialien und Materialkombinationen
  • Industrieberatung zur Technologie- und Prozessoptimierung
  • Gemeinsame Entwicklung neuer Verfahren und Technologien

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