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15.10.2010

Leichtbau leicht gemacht

Wirtschaftliche Herstellung von Faserverbundwerkstoff-Teilen

Der Leichtbau leistet einen entscheidenden Beitrag zur Senkung des Ressourcen- und Energieverbrauchs. Ein besonders hohes Potenzial zur Gewichtseinsparung besitzen vor allem Endlosfaser verstärkte Hochleistungsverbundwerkstoffe. Die Herstellung hat jedoch im Vergleich zu Metallen hohe Material- und Fertigungskosten sowie einen geringen Automatisierungsgrad. Das Institut für Fahrzeugsystemtechnik (FAST) und das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie entwickeln deshalb einen wirtschaftlicheren Prozess zur Herstellung von komplexen textilen Vorformlingen.

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Die heute etablierten Verfahren zur Herstellung von Kohle- oder Glasfaser verstärkten Leichtbauprodukten wie das Resin-Transfer-Moulding (RTM), auch Harzinjektionsverfahren genannt, nutzen vorwiegend manuelle Arbeitsschritte, die eine wirtschaftliche Herstellung von Faserverbundwerkstoff (FVW)-Bauteilen erschweren. Es fehlen immer noch wirtschaftliche und automatisierte Verfahren zur Herstellung komplexer Faservorformlinge (Preforms). Branchenübergreifend wird dem Einsatz einer automatisierten Preform-Fertigung die Schlüsselfunktion bei der wirtschaftlichen und damit großtechnischen Einführung von Hochleistungsfaserverbunden zugesprochen, da so der Handhabungs- und Legeaufwand und dadurch auch die Zykluszeiten bei der Produktion drastisch verringert werden können.

Verschiedene Näh- und Bindertechnologien

Zur Fixierung und Stabilisierung von textilen Vorformlingen kommen bisher verschiedene Näh- und Bindertechnologien zum Einsatz. Beim konfektionellen 3D-Nähen werden durch einen robotergeführten Nähkopf einzelne Textillagen, aber auch so genannte Sub-Preforms, miteinander vernäht und dadurch zu einem handhabbaren Preform stabilisiert. Ein Nachteil dieser Nähtechnologie ist die nähfadenbedingte Ondulation (die Umlenkung von Fasern innerhalb von Geweben) der Rovings (Faserbündel) im Verstärkungstextil. Sie ist bedingt durch die Fadenspannung des in z-Richtung eingebrachten Nähfadens und tritt beim Nähen von engen Radien verstärkt zum Vorschein. Diese Ondulationen führen nach der Infiltrierung der Textilstrukturen mit dem Infiltrationsharz zu harzreichen Zonen, die als Schwachstellen im Verbund wirken. Vorangegangene Untersuchungen zeigen einen starken Abfall der In-plane-Eigenschaften eines solchen vernähten Verbundes.

Neben der Nähtechnologie kommen Bindertechnologien zum Preformen von komplexen Textilstrukturen zum Einsatz. Die Bindermaterialien liegen als netzartiges Vlies, aber auch pulverförmig oder in flüssiger Form vor. Das Material wird Lage für Lage auf die zu verbindenden oder zu fixierenden textilen Halbzeuge aufgebracht und durch Wärmeeinwirkung in einem Ofen aktiviert. Diese aufwändige Binderapplikation zwischen den Einzelfaserlagen und anschließende Aktivierung ist ein zusätzlicher und zeitintensiver Arbeitsschritt in der Preformherstellung. Die Preform ist nach dem sich anschließenden Abkühlen durch den wieder erhärteten Kunststoff stabilisiert. Ein weiterer Nachteil, der flächig aufgetragen Binder ist, die geringere Durchlässigkeit (Permeabilität) der stabilisierten Textilstrukturen für das im späteren Infiltrationsprozess eingebrachte Injektionsharz. Ebenfalls nachteilig ist die erhöhte Steifigkeit über die gebinderte Fläche der Textilstruktur. Diese flächige Versteifung erschwert ein nachträgliches Drapieren der Textilstruktur und führt zu einer Erhöhung der Nadeldurchstoßkräfte beim nachträglichen Einbringen eventuell benötigter Strukturnähte.

Komplexe Preforms mit hoher Qualität
Ziel eines gemeinsamen Projekts des FAST am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ist die Entwicklung eines Prozesses zur Herstellung von komplexen Preforms hoher und reproduzierbarer Qualität und anschließender Konsolidierung mit duromeren (Epoxid Harz) oder reaktiven thermoplastischen (anionisch polymerisiertes PA6) Harzsystemen als Matrixmaterial für die Großserie.

Dabei wird die lokale Verwendung minimaler Mengen an Matrix kompatibler Klebstoffe zur Fixierung der Einzelfaserlagen zu komplexen Preforms untersucht. Bei der Auswahl der Klebstoffsysteme ist darauf zu achten, dass sich der Klebstoff inert zur Harzreaktion verhält oder diese im Optimalfall sogar fördert. Die Klebepunkte dürfen außerdem nicht den Harzfluss bei der Infiltration stören und im fertigen Faserverbundbauteil nicht als Störstelle wirken.
Der Chemical-Stitching-Prozess startet mit der Positionierung des Klebstoff-Applikationskopfes auf der zu fixierenden Textilstruktur. Dabei wird diese vor Verrutschen gesichert und festgehalten. Anschließend werden dünne Injektionsnadeln in die Textilstruktur gefahren, wo sie eine Minimalmenge an Klebstoff-/Bindermaterial zwischen die Textillagen einbringen. Anschließend wird das eingetragene Bindermaterial in situ, also an Ort und Stelle, durch Unterstützung einer zusätzlichen Energiequelle (Ultraschall, Laser, Infrarot, UV-Licht) ausgehärtet und der Applikationskopf an die nächste Position verfahren.
Innerhalb des Projekts werden die Möglichkeiten der lokalen Fixierung von textilen Halbzeugen und lokal eingebrachten Einzelrovings mithilfe verschiedenster Klebstoffsysteme untersucht und bewertet. Gleichzeitig wird der Einfluss des Klebstofftyps, die Position und Menge des Klebstoffs sowie die Klebefläche untersucht. Dafür wurde ein x-y-z-Portalroboter mit entsprechender Dosiereinheit zur reproduzierbaren Applikation des Klebers entwickelt und aufgebaut. Der Klebstoff wird dabei durch ein Nadelventil definiert in die Textillagen eingebracht und mittels UV-Licht in wenigen Sekunden in situ ausgehärtet.
In ersten Versuchsreihen konnten Erkenntnisse über die geforderte Klebstoffqualität und geeignete Verarbeitungsviskosität der Klebstoffe gewonnen werden. So führen beispielsweise Klebstoffe mit einer Viskosität kleiner 2000 mPas aufgrund von Kapillarwirkung zwischen den Einzelfasern lediglich zu einer Versteifung der einzelnen Textillagen und nicht zur gewünschten Fixierung der Faserlagen in z-Richtung.

Durch das aufgezeigte Verfahren kann ein einfaches, schnelles und gleichzeitig flexibles Preforming-System aufgebaut werden. In weiteren Arbeiten sollen daher systemverträgliche Klebstoffsysteme zusammengestellt und deren Einfluss auf die Verbundeigenschaften des konsolidierten Faserverbundbauteils untersucht werden. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Produktionstechnik (wbk) des KIT soll darüber hinaus das Potenzial der eingebrachten Klebepunkte für die Handhabung dieser biegeschlaffen Textilstrukturen untersucht werden. Ziel ist der Aufbau eines Roboter unterstützten Preform-Centers zur Herstellung von kontinuierlichen drei-dimensionalen Profilen, aber auch diskontinuierlichen komplexen flächigen Preforms in der Serienproduktion.

Neue Technologien
Mit Nadel, aber ohne Faden

Die wichtigsten Vorteile des Chemical-Stitching-Prozesses zur Herstellung von komplexen textilen Vorformlingen für Faserverbundwerkstoff-Bauteile sind:

  • kein zusätzlicher Nähfadeneintrag,
  • Vermeidung von Nähfaden bedingten Harznestern und somit Schwachstellen im Verbund,
  • Verbesserung der In-plane-Eigenschaften durch die Vermeidung von Roving Ondulation,
  • verbesserte Permeabilität der Textilstrukturen durch Verwendung von minimalen, lokal eingebrachten Bindermengen,
  • Vermeidung der zeitintensiven Binderapplikation und anschließenden Aktivierung im Ofen durch die Verwendung alternativer Bindersysteme und
  • die Steifigkeit lässt sich innerhalb einer Preform durch Variation der applizierten Bindermengen lokal einstellen.

 

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