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01.12.2016

Elektronik robust in Leichtbaustrukturen integriert

Endlosfaserverstärkte Spritzgießbauteile mit elektronischen Funktionen

Wissenschaftler der TU Dresden entwickelten im Forschungsprojekt TEMAG einen Herstellungsprozess für endlosfaserverstärkte Spritzgießbauteile mit integrierten elektronischen Funktionselementen. Mit Hilfe des neuen Verfahrens sollen elektronische Funktionen erstmals robust und kostengünstig in Leichtbaustrukturen integriert werden.

Mittels Spritzgießen lassen sich komplex geformte und zugleich preiswerte Leichtbaustrukturen herstellen. Durch Endlosfaserverstärkung können die mechanischen Eigenschaften dieser Strukturen erweitert werden. Integrierte Funktionselemente, wie etwa Sensoren, LEDs oder Steckkontakte, vergrößern das Eigenschaftsspektrum der Bauteile nochmals. Die Positionierung der Funktionselemente, deren Leitungen für die Energie- und Signalübertragung sowie der Steckkontakte im Spritzgießwerkzeug ist allerdings wegen des großen Drucks und der hohen Temperatur beim Einspritzvorgang eine große Herausforderung.

Im Projekt TEMAG entwickelten Wissenschaftler der TU Dresden eine Fahrzeug-Heckklappe, die im Spritzgießverfahren mit Endlosfaserverstärkung und Funktionselementen hergestellt wird (© TU Dresden)

Im Projekt TEMAG entwickelten Wissenschaftler der TU Dresden eine Fahrzeug-Heckklappe, die im Spritzgießverfahren mit Endlosfaserverstärkung und Funktionselementen hergestellt wird (© TU Dresden)

Im Forschungsprojekt „Thermoplastische endlosfaserverstärkte Multi-Axiale- Gitterstrukturen" (TEMAG) entwickelten Wissenschaftler des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) und des Instituts für Textilmaschinen und textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden einen neuen Herstellungsprozess für endlosfaserverstärkte Spritzgießbauteile mit integrierten elektronischen Funktionselementen. Dabei verfolgten die Dresdner Wissenschaftler laut eigener Aussage einen neuartigen Lösungsansatz: Sie nutzten die textilen Hochleistungsgitter als mechanische Verstärkung der Spritzgießbauteile und entwickelten diese zu Trägern der elektronischen Komponenten weiter.

Textile Hochleistungsgitter als Träger elektronischer Komponenten

Als Ausgangsmaterial für die Hochleistungsgitter dienten Hybridgarne aus Glas und Thermoplast. Diese wurden von Wissenschaftlern des ITM den Anforderungen gemäß gestaltet und auf einer Kettenwirkmaschine mit Fadenmanipulationseinrichtung gefertigt. Dabei führten sie individuelle Drähte als Leitungen für Energie- und Signalübertragung zu. Das Halbzeug wurde thermisch vorkonsolidiert und im anschließenden Prozessschritt erfolgten Konfektionierung und Umformung – entsprechend der Geometrie des späteren Bauteils.

Prozessschema des im Rahmen des Forschungsprojekts TEMAG entwickelten Verfahrens (© ILK)

Die Forscher entwickelten Funktionselemente, die sie auf den Trägern so anbrachten, dass sie den Prozessbedingungen während des Spritzgießens standhalten und zu den im Hochleistungsgitter eingebrachten Drähten kontaktiert werden können. Eigens dafür entwickelten sie einen Ultraschall-Lötprozess.

Die neue Verbindungstechnik soll so robust sein, dass auch im Roving des Gitters verdeckt liegende Drähte sicher und mit geringem Übergangswiderstand kontaktiert werden können. Zusätzlich wurden in einem generativen Verfahren Abstandselemente und Positionierhilfen auf das Gitter aufgebracht, um die spätere Lage in der Kavität des Spritzgießwerkzeuges festzulegen.

Der Träger ist mit einem Touch-Sensor und der Bremsleuchte ausgestattet (© TU Dresden)

Der Träger ist mit einem Touch-Sensor und der Bremsleuchte ausgestattet (© TU Dresden)

Den entwickelten Fertigungsprozess demonstrieren die Forschungspartner am Beispiel einer Fahrzeug-Heckklappe. Dazu wurde die Gitterverstärkung belastungsgerecht ausgelegt und mit einem Touch-Sensor ausgestattet, dessen Signal zur Öffnung der Heckklappe dienen kann. Zusätzlich wurde eine Bremsleuchte integriert. (me)

Weiterführende Information
  • Erschienen in Kunststoffe 12/2016

    In Leichtbaustrukturen zoomen

    Plattform-unabhängige Visualisierungssoftware vom ILK

    Bei der Auslegung von Faserverbundstrukturen muss deren hierarchischer Aufbau bis hin zum Mehrschichtverbund berücksichtigt werden. Eine modellübergreifende, durchgängige Visualisierung war bisher jedoch nicht möglich. Forscher am ILK haben nun eine Software entwickelt, die das ändern soll.   mehr

    TU Dresden - Institut für Leichtbau u. Kunststofftechnik

Unternehmensinformation

TU Dresden - Institut für Leichtbau u. Kunststofftechnik

Holbeinstr. 3
DE 01307 Dresden
Tel.: 0351 463-38142
Fax: 0351 463-38143

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