Vier Forschungspartner haben es sich zum Ziel gesetzt, im Rahmen eines „Zero-Waste“-Projekts eine neue Presstechnik für die Herstellung von nachhaltigen Faserverbundlösungen zu entwickeln.

Für die Herstellung der Versuchsbauteile kam eine von Engel entwickelte SMC-Fertigungszelle mit einer Maschine des Typs Engel v-duo 700 und einem Knickarmroboter easix KR35 zum Einsatz

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Forschungsprojekt zeigt Recyclingpotenzial für Composite-Leichtbau auf

Composite-Halbzeuge

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Kohlenstofffasern / -matten

Kunststoff Werkstoffe

Verstärkungsstoffe

Anlagen zur Composite-Herstellung

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Spritzprägen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Spritzgießen

Bruchmechanische Prüfung

Messtechnik

Werkstoffprüfung

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Harzsysteme für Composite-Herstellung

UD-Tapes

Presswerkzeuge, Kunststoff

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Pressen von Kunststoffen

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Qualitätssicherung Kunststoff

Qualitätssicherung

„Zero-Waste“-Konzept für Carbon-SMC

Der Klima- und Verkehrswende kommen ausgeklügelte Faserverbundlösungen zugute. Für Marine, Infrastruktur und Schienenfahrzeugbau konkurrieren vielfältige Brandschutzkonzepte. Die Branche widmet dem Recycling größere Aufmerksamkeit.

Das erste naturfaserverstärkte Satellitenpaneel ermöglicht eine sichere Weltraumerkundung und verglüht beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre vollständig

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Faserverbundkunststoffe beleben das Transport- und Bauwesen

Glasfasern / -matten

Faserverarbeitung

Naturmaterialien

Composites setzen Trends im Leichtbau

Endlosfaserverstärkte Thermoplast-Composites etablieren sich auch bei dünnwandigen Gehäusen. Sie bieten eine hohe Steifigkeit, helfen das Gewicht zu senken und ermöglichen ein edles Design und Funktionsintegration. Werden die Gehäuse im Hybrid-Molding-Verfahren gefertigt, lassen sich außerdem Kosten, Verarbeitungsschritte und Zykluszeiten reduzieren

Das Smartphone Carbon 1 Mark II von Carbon Mobile wurde in Deutschland entwickelt.  Die mattschwarzen Carbonfasern verleihen dem Smartphone einen edlen Hightech-Look

Composites senken das Gewicht und erleichtern die Produktion von Elektronikgehäusen

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Kunststofffasern

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

Leichtbau für die Hosentasche

CFK verfügen in Abhängigkeit vom Carbonfasergehalt, der Faserlänge sowie der Orientierung der Fasern über eine inhärente Leitfähigkeit. Bisher wurde diese jedoch kaum beachtet oder als störender Effekt betrachtet. Richtig umgesetzt, lassen sich damit jedoch zusätzliche Funktionen wie EMV-Abschirmung und Heizleistung in Bauteile integrieren.

Bild 1. Spezifischer Oberflächenwiderstand verschiedener rCFK: Der Widerstand hängt sowohl vom Faservolumengehalt als auch dem Herstellungsverfahren ab 

Die elektrische Leitfähigkeit von CFK für Zusatzfunktionen nutzen

Fasern

Elektronik

Mehr als nur Leichtbau

Tapes prägen die nächste Generation der thermoplastischen Composites. Das Legen der Tapes muss zugleich hochgenau und wirtschaftlich erfolgen. Einen dritten Schwerpunkt bei der Weiterentwicklung seiner Tape-Legezelle setzt Engel auf die Vereinfachung der Bedienung.

Der neue modulare Übernahmekopf der Tape-Legezelle erhöht sowohl die Kosteneffizienz als auch die Flexibilität. Die Funktionselemente können dank eines Lochrasters individuell platziert werden.

CAD-basiertes Tapelegen

Bildverarbeitungssysteme

Fertigungsautomation

Bildverarbeitung

Software

Industrieroboter

Montagetechnik

Greifer für die Kunststofftechnik

Automatisierungstechnik

Handling, Handhabungstechnik

Präzise und zugleich hocheffizient

Pultrudierte, faserverstärkte Tapes werden bisher lediglich zerstörend oder optisch zerstörungsfrei geprüft. Wünschenswert wäre daher ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, das kontaktfrei und schnell Risse, Einschlüsse und Änderungen in der Imprägnierung detektieren, also im Gegensatz zu optischen Verfahren das komplette Tapevolumen erfassen kann. Das in dieser Arbeit dazu verwendete Luftultraschallverfahren erfüllt all diese Anforderungen.

Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung

Pultrusion

Ganzheitliche Betrachtung zur zerstörungsfreien Prüfung von thermoplastischen CFK-Tapes mittels Luftultraschall

Automatisierte Laserprozesse stellen eine Möglichkeit dar, bei der Reparatur von carbonfaserverstärkte Kunststoffen (CFK) eine stärkere Automatisierung zu realisieren.

Stufenschäftung in einem Vorflügel-Demonstrator: Das Schäften stellt eine Herausforderung bei der Reparatur von CFK dar

Automatisierte Reparatur von carbonfaserverstärkten Kunststoffen

Laserschweißen

Verbindungstechnik Verfahren

Thermisches Fügeverfahren

Lasertechnik

Laser statt Handarbeit

Die traditionellen Märkte für glasfaserverstärkte duroplastische Kunststoffe bleiben stabil. Thermoplastcomposites starten bei hybriden Verarbeitungsprozessen durch. Mit pragmatischen Ideen packt die Faserverbundindustrie die Recyclingfrage an.

Das Arevo-„ebike“ hat einen 3D-gedruckten CFK-Monocoque-Rahmen, in den u. a. der Drivematic-Getriebeaktuator von Oechsler integriert werden kann

Faserverbundkunststoffe (FVK)

Reaktionsharze

Duroplaste

Sekundärfasern

Kunststoff-Rezyklat

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

Aramidfasern

Phenolharze

Harze, Epoxid

Duroplastische Werkstoffe

Hochleistungskunststoffe

Thermoplaste

Große Vielfalt und pragmatische Ideen

Seit Oktober 2020 ist Warden Schijve Teil des AZL-Engineering-Teams und baut den Bereich für Produkt- und Anwendungsentwicklung im Leichtbau weiter aus.

Begrüßung des neuen Kollegen im AZL Tech Center (v. l.): Dr. Michael Emonts, Warden Schijve, Philipp Fröhlig und Dr. Kai Fischer

Personen

Werkzeuge für Faserverarbeitung

Neues Mitglied im AZL-Engineering-Team

Die Digitalisierung bietet die Möglichkeiten größere Stückzahlen zu niedrigeren Kosten zu fertigen und lässt sich auf die Produktion von Faserverbundbauteilen gut anwenden.

Der automatisierte Kitting-Prozess integriert die Produktionsschritte Nesting, Schneiden, Etikettierung und Kitting in eine einzelne Fertigungszelle

Digitalisierung senkt Kosten und Materialverschnitt und steigert die Effizienz

Automatisiert zu Faserverbundbauteilen

Die geringe Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffmatrix limitiert die Wärmeleitung in polymeren Faserverbundwerkstoffen. Eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Matrix kann dazu beitragen, die Wärme in einem Bauteil besser zu verteilen, thermische Spannungen zu reduzieren und damit die Lebensdauer zu erhöhen.

Beschichten von Kunststoffen

Oberflächentechnik

Chemisches Bearbeiten (Auftragen)

Wärmeleitfähigkeitsmessung

Messung von Umgebung (Klima)

Kohlenstofffaser-Epoxydharz-Verbunde mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit – Struktur und Eigenschaften

Der Leichtbau gewinnt besonders im Automobilbau zunehmend an Bedeutung und ist Thema in zahlreichen Forschungsprojekten. Welch hohes Potenzial das Faser-Direkt-Compoundieren von Arburg hierfür bietet, zeigt das Verbundprojekt MoPaHyb – Modulare Produktionsanlagen für Hybridbauteile.

Mit der Kombination aus Spritzpressen und FDC-Verfahren lassen sich, wie bei dieser Sitzlehne, bisher nicht herstellbare Bauteildimensionen umsetzen

MoPaHyb-Projekt: Leichtbauverfahren FDC in Kombination mit Spritzpressen

Hybridtechnik

Hybrid-Spritzgießen (Metall / Kunststoff)

Langglasfaserverarbeitung im großen Stil

Leichtbau ist eine Möglichkeit, den CO2 -Ausstoß etwa von Fahrzeugen zu reduzieren. Auch bei den eingesetzten Materialien lässt sich der CO2 -Verbrauch durch den Einsatz von Biokunststoffen verringern. Die Entwicklung eines biobasierten duroplastischen Materials zeigt, dass sich Biokunststoffe für die Herstellung von SMC-Halbzeugen eignen.

Als Demonstrator wurde ein Heckspoiler gefertigt. Die Herstellung des Bauteils zeigte, dass das teilweise biobasierte Halbzeug sehr gute Fließeigenschaften aufweist. Auch das Füllen komplexer verrippter Strukturen ist unter konventionellen Verarbeitungsparametern möglich

Duroplast mit geringerer Dichte auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen

Halbzeuge und Zwischenprodukte spanend

Biokunststoffe

Halbzeuge und Zwischenprodukte spanlos

Leichter mit Biokunststoff

CFK-Bauteile sind häufig unter rauen Umweltbedingungen im Dauereinsatz und werden bei Beschädigung einfach durch neue Bauteile ersetzt. Mit einem neuen Verfahren können defekte CFK-Strukturen nun deutlich einfacher lokal repariert werden.

Bild 1. Übersicht über das simulationsgestützte Reparaturverfahren für CFK-Bauteile: Die Methode ermöglicht eine gezielte Reparatur der Schadstelle 

Verfahren zur Reparatur von CFK-Bauteilen ohne Spanen

Reparieren statt austauschen

Mit der Einrichtung auf dem Gelände des Automotive Center Europe (AMCEU) in Neufahrn bei München will die Toray Resins Europe GmbH neue Entwicklungen bei technischen Hochleistungskunststoffen vorantreiben.

Das neue Resins Technical Center ist Teil des Toray-Automotive Center Europe bei München. In der Einrichtung forscht Toray an Kunststofflösungen, die besonders den Anforderungen der E-Mobilität Rechnung tragen

Toray eröffnet Resins Technical Center bei München

Neue Anwendungen und Kunden für die automatisierte Produktion von Faserverbundbauteilen

An der FPP-Technologie zeigen derzeit vor allem zwei Industrien besonderes Interesse: die Luft- und Raumfahrt bei der Automatisierung der Legeprozesse von Multimaterial-Leichtbauteilen mit Sandwichkern, sowie die Hersteller von CFK-Drucktanks für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge (FCEV).

An der FPP-Technologie zeigen derzeit vor allem zwei Industrien besonderes Interesse: die Luft- und Raumfahrt bei der Automatisierung der Legeprozesse von Multimaterial-Leichtbauteilen mit Sandwichkern, sowie die Hersteller von CFK-Drucktanks für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge (FCEV), die damit Einsparungen im zweistelligen Prozentbereich erzielen können. In beiden Fällen ist FPP die erste Technologie, die kritische Faserlegeprozesse automatisiert und so die Industrialisierung der Produktion vorantreibt.

Die robotergestützte Fertigungstechnologie Fiber Patch Placement (FPP) erweitert die Möglichkeiten der automatisierten Herstellung von geometrisch komplexen Faserverbundbauteilen. Im FPP-Legeprozess werden definierte Faserstücke (Patches) aus einem Faserband geschnitten und von zwei Robotern und einem flexiblen Patch-Greifer direkt auf einem 3D-Werkzeug abgelegt (Titelbild). Die Größe der Patches und des Greifers ist an die Größe und Komplexität des Bauteils angepasst. Da der Prozess als eine Reihe von individuell gesteuerten Patch-Platzierungen angelegt ist, ermöglicht die FPP-Technologie eine hohe Prozesskontrolle über den gesamten Legezyklus. Eine dedizierte CAD-CAM-Software vereinfacht die Erstellung von Patch-Laminaten und führt, ausgestattet mit einem digitalen Zwilling des Produktionssystems, eine vollautomatische Roboterprogrammierung durch. Ein Kernelement der Technologie ist eine vollständig entwickelte digitale CAD-CAM-Umgebung mit FE-Schnittstelle und vollautomatischer Offline-Roboterprogrammierung. Echtzeit-Qualitätssicherungssysteme erkennen potenzielle Fehler, bevor die eigentliche Faserablage durchgeführt wird (Bild 1). Zudem besteht die Möglichkeit, die Gesamtproduktivität je nach Anwendung um das  5- bis 10-fache zu steigern. Dies führt in der Regel zu Einsparungen von 20 bis 60 % bei Kosten und Prozesszeit.

Die besonderen Vorteile der FPP-Technologie bei der automatisierten Herstellung komplexer Multimaterial-Flugzeugstrukturen und bei der Laminatverstärkung von filamentgewickelten Drucktanks werden in den folgenden Abschnitten beschrieben.

Automatisierung für Multimaterial-Flugzeugstrukturen

Aufgrund ihrer hohen massenspezifischen Steifigkeit eignen sich Sandwichstrukturen aus Verbundwerkstoffen besonders gut für die anspruchsvollen gewichtsbeschränkten Anwendungen in Flugzeugen. Bei der Herstellung dieser Bauteile stellen jedoch die geometrische Komplexität und der Multimaterialmix unter anderem aus Klebefilm-, Glasfaser- und Carbonfaserlagen eine besondere Herausforderung dar. Die Herstellung erfordert in der Regel mehrere Prozessschritte und ist mit zeitaufwendigen manuellen Legeschritten sowie Zwischenkompaktierungen verbunden.

Die FPP-Technologie ist mit ihrer Fähigkeit, eine Vielzahl von Fasermaterialien zu verarbeiten, in der Lage, solche Bauteile vollautomatisch in einer einzigen Produktionsanlage herzustellen. Das Fasermaterial kann direkt auf gekrümmte, abgeschrägte Wabenkerne gelegt werden (Bild 2). Dies ersetzt die manuellen Legeschritte und erhöht in der Regel die Legepräzision und -wiederholbarkeit. Der Ablagedruck des Legeroboters kann eingestellt und kontrolliert werden. Somit werden die normalerweise erforderlichen Zwischenkompaktierungen zahlenmäßig deutlich reduziert oder sogar gänzlich eliminiert, was zu wertvollen Einsparungen bei der Prozesszeit führt. Testmuster mit 24 Lagen wiesen Porositätswerte von weniger als 1 % auf.

Die Prozessüberwachung in Echtzeit gewährleistet eine konstant hohe Teilequalität: Zwei visuelle Inspektionseinheiten analysieren

<ul><li>die Qualität jedes Patches vor der Platzierung und</li><li>die relative Position des Patches auf dem Greifer.</li></ul>

Dadurch garantiert das System, dass nur 100 % spezifikationsgerechtes Rohmaterial präzise an der vorgesehenen Position platziert wird.

Der flexible Prozess ermöglicht auch die Kombination von Sandwichkern-Strukturen und monolithischen Profilen in einem integrierten Produktionsprozess (Bild 3). Der kombinierte Laminatansatz wird vollständig von der FPP-spezifischen Software Artist Studio unterstützt. Dies erlaubt Laminatanpassungen im Entwicklungsprozess, wann immer diese erforderlich sind. Der Arbeits- und Zeitaufwand bei Designiterationen wird so deutlich reduziert.

H2-Drucktanks mit FPP-Kuppelverstärkungen

Druckbehälter aus Verbundwerkstoffen sind der zentrale Energiespeicher für wasserstoffbetriebene Mobilität. Der Hauptkostentreiber der zylindrischen Tanks, die Betriebsdrücken von bis zu 700 bar ausgesetzt sind, sind die verarbeiteten Carbonfasern, die über 50 % der Gesamtkosten ausmachen. Um die Effizienz von Verbundtanks zu verbessern, untersuchte das US-Energieministerium bereits 2013 den positiven Effekt von Kuppelverstärkungen, aber bis heute gab es kein industrielles Verfahren zu deren Herstellung.

Cevotec hat die FPP-Technologie angepasst und eine industrielle Lösung geschaffen, die die Tank-Kuppelverstärkungen vollautomatisch legt (Titelbild, Bild 4), ehe der Tank samt Verstärkung in den etablierten Filament-Wickelprozess (FW) überführt wird. Gewicht und Herstellungskosten eines Tanks werden so bei gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften um 15 % reduziert.

Dabei platziert das FPP-Robotersystem die verstärkenden Patches direkt auf den Kuppelbereichen des Liners. Sie ersetzen die hochwinkligen Helixlagen (HAHL), die traditionell im FW-Verfahren aufgebracht werden. Anders als die HAHL erstrecken sich die Patches jedoch nicht über den zylindrischen Teil des Tanks, wo sie nur geringfügig zur mechanischen Leistung beitragen würden. Abhängig vom Größenverhältnis des Druckbehälters kann so eine beträchtliche Menge Material in diesem Bereich eingespart werden. Die Verstärkungen ermöglichen außerdem einen sanfteren Steifigkeitsübergang zwischen dem zylindrischen und dem kuppelförmigen Teil des Tanks, was zu einer weiteren Optimierung des Laminataufbaus führt.

Anlagen mit flexibel kombinierbaren Basismodulen

Die Patches werden in einem unabhängigen Prozess aufgebracht, der parallel zum FW läuft. Diese Parallelisierung verkürzt die Gesamtzykluszeit um etwa 15 % und ermöglicht auf diese Weise höhere Produktionsraten auf den bestehenden FW-Linien. Insgesamt machen sich die vielfältigen Vorteile der Serienproduktion von Composite-Drucktanks für jeden Hersteller schnell bezahlt: Die notwendigen Investitionen für die Verstärkung der FPP-Kuppeln werden mit einer Amortisationszeit von ein bis zwei Jahren wieder eingespielt.

Nicht nur Industriekunden, auch F&E-Partner sehen einen großen Nutzen in der FPP-Technologie. Im Jahr 2020 hat das Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik (IGCV) im Fiber Placement Center (FPC) in Meitingen ein Produktionssystem „Samba Pro Prepreg“ von Cevotec in Betrieb genommen. Die FPP-Systeme der Samba Serie sind automatisierte Produktionsplattformen für anspruchsvolle Faser-Lay-ups, die mit der Software Artist Studio programmiert werden. Sie basieren auf drei skalierbaren Schlüsselmodulen für Materialzuführung und -schnitt (Ultraschall- oder Laserschnitt), Ablage der Patches sowie Werkzeughalter und -manipulatoren mit Schnellwechselsystem, die flexibel kombiniert und an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden können. Die Anlage steht sowohl den Industriepartnern des FPC als auch weiteren interessierten Kunden zur Verfügung, um auf Basis der FPP-Technologie automatisierte Composite-Produktionsprozesse zu entwickeln.

Ein Samba-Step-System erweitert seit Sommer 2021 die Forschungsmöglichkeiten für Materials Resource Management in Augsburg. Die Universität Augsburg und die Hochschule Augsburg setzen für Forschung und Entwicklung in den Bereichen künstliche Intelligenz (KI) und neue Materialien auf die FPP-Technologie. Das Samba-Step-System von Cevotec ist im Gebäude Materials Resource Management (MRM) im Augsburger Innovationspark im Einsatz.

Im ersten Quartal 2022 nimmt das National Institute for Aviation Research (NIAR) an der Wichita State University (WSU), Kansas/USA, eine Samba-Pro-Prepreg-Anlage in Betrieb, die die erste FPP-Produktionsplattform auf amerikanischem Boden ist. Das NIAR ist als führendes Institut für Luftfahrtforschung in den USA stark an der Weiterentwicklung von Verbundwerkstoffstrukturen für die Luft- und Raumfahrt beteiligt. Das FPP-System von Cevotec wird in das Atlas-Portfolio (Advanced Technologies Lab for Aerospace Systems) des NIAR für automatisierte Fertigungstechnologien für die Verbundforschung aufgenommen und schafft dort neue F&E-Möglichkeiten für in den USA ansässige Entwickler und Hersteller von Verbundwerkstoffen, vor allem in der Verteidigungsindustrie.

Cevotec GmbH  

https://www.cevotec.com

Ausgabenartikel KU03-22

Laminatverstärkung filamentgewickelter Drucktanks. Die Ausprägung der Patches und des Greifers ist an die Größe und Komplexität des Bauteils angepasst.

Bild 1. Die FPP-Anlage vereint mehrere Module für Zuführen, Schneiden, Materialkontrolle, Positionskontrolle und Ablage.

Bild 2. Das Fasermaterial kann direkt auf den abgeschrägten Übergang einer Wabenstruktur gelegt werden.

Bild 3. Der Prozess ermöglicht auch das kombinierte Legen von Sandwichkern-Strukturen und monolithischen Profilen wie hier bei einem Luftfahrtbauteil.

Bild 4. Das Robotersystem platziert die verstärkenden Patches direkt auf den Kuppelbereichen des Drucktanks.

Name - Hauptartikel

Dr. Daniela Klotz ist als freie Journalistin unter anderem für Cevotec tätig; <a href="mailto:communication@cevotec.com">communication@cevotec.com</a>

Die Cevotec GmbH bietet eines der weltweit modernsten Produktionssysteme für komplexe Faserverbundwerkstoffe. An der Schnittstelle zwischen Faserverbund, Maschinenbau und Software entwickelt das Unternehmen Produktionsanlagen (Samba) und Software (Artist Studio) auf Basis der FPP-Technologie (Fiber Patch Placement). Die Anlagen ermöglichen die automatisierte Ablage von Carbon- und Glasfasern, Klebefolien und anderen technischen Fasern auf komplexe 3D-Geometrien. Hersteller nutzen die FPP-Technologie, um zum Beispiel Multimaterial-Composite-Flugzeugstrukturen, Verstärkungen für CFK-Drucktanks und andere Hochleistungskomponenten in einem qualitätskontrollierten, vollautomatischen Legeprozess herzustellen. Der Umstieg von konventionellen Verfahren auf FPP ermöglicht laut Cevotec Kosten- und Zeiteinsparungen von 20 bis 60 %. <a href="http://www.cevotec.com" target="_blank">www.cevotec.com</a>