Die ehrgeizigen Klimaschutzziele der Europäischen Union stellen die Industrie vor große Herausforderungen. Energieeffizienz und Ressourcenschonung wird in allen Bereichen gefordert. Im Transportwesen kann diesen Anforderungen durch den Einsatz von Leichtbaukomponenten begegnet werden. Faserverbundkunststoffe (FVK) weisen hierbei das größte Potenzial auf. Im Vergleich zu konventionellen Konstruktionswerkstoffen, wie Stahl oder Aluminium, ermöglicht der Einsatz von endlosfaserverstärkten Kunststoffen eine Gewichtsreduzierung von bis zu 70% bei gleichzeitig verbesserten mechanischen Eigenschaften. Bisher bestehen die meisten FVK-Bauteile aus duroplastischen Matrixsystemen. Die stark adhäsiven Duroplaste wie UP-Harze werden jedoch als gesundheitsbedenklich eingestuft. Zusätzlich kommt es bei der Verarbeitung von Duroplasten zu einer Kontamination der Produktionsanlagen, die eine tägliche intensive Reinigung mit umweltschädigenden Lösungsmitteln erfordert und die Automatisierung signifikant einschränkt. Zudem vernetzen Duroplaste irreversibel unter Temperatur- und Zeiteinfluss. Daher müssen sie in Kühlhäusern gelagert werden, benötigen lange Aushärtezeiten bei bis zu 180°C und lassen sich nicht wieder aufschmelzen oder stofflich wiederverwerten. Thermoplaste hingegen weisen keine dieser Nachteile auf. Stattdessen verfügen sie über eine hohe chemische Resistenz und hervorragende mechanische Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich schlagartiger Beanspruchung. Zudem sind sie schweißbar, können stofflich recycelt werden und bieten die Möglichkeit, in eine vollautomatisierte Produktion eingebunden zu werden.

Eine vielversprechende Möglichkeit, endlosfaserverstärkte Thermoplaste zu verarbeiten, stellt das laserunterstützte Tapelegen oder -wickeln dar. Diese Verfahren zielen auf die Fertigung höchstleistungsfähiger Leichtbauteile ab wie Flügel, Leitwerke oder Rümpfe von Flugzeugen, Rümpfe von Booten oder Rotorblätter von Windkraftanlagen. Darüber hinaus existieren Bestrebungen, das Thermoplast-Tapelegeverfahren zur kontinuierlichen Fertigung von Umform-Halbzeugen einzusetzen. Aus diesen Halbzeugen werden lastoptimierte Organobleche hergestellt und anschließend massentauglichen Thermoformprozessen zugeführt, bei denen diese, ähnlich einem Blechumformprozess, zu mittelgroßen höchstbelastbaren und gleichzeitig leichten Strukturen wie Autodächern, Motorhauben oder Sitzschalen in Zykluszeiten unter einer Minute umgeformt werden.

VollautomatisierterFertigungsprozess

Im Gegensatz zu den derzeit eingesetzten überwiegend gering automatisierten Prozessen zur Herstellung endlosfaserverstärkter Kunststoffbauteile, bietet die laserunterstützte Thermoplast-Verarbeitung einen vollautomatisierbaren Fertigungsprozess, durch den die Vorteile des Thermoplasten ausgeschöpft werden können. So ermöglichen diese neuartigen Prozesse den bei der Duroplast-Prepregverarbeitung erforderlichen Autoklavprozessschritt einzusparen und damit sowohl Produktionszeit als auch Prozessenergie und somit Kosten zu reduzieren.

Bei der laserunterstützten Thermoplast-Verarbeitung kommen bändchenförmige Faserverbundhalbzeuge, so genannte Tapes, zum Einsatz. Diese bestehen aus quasiendlosen und unidirektional ausgerichteten Fasern, die in einem thermoplastischen Matrixsystem eingebettet sind. Die Tapes werden durch Wiederholen des Tapelege- oder Wickelzyklus zu Bauteilstrukturen miteinander verbunden. Im ersten Prozessschritt wird das Tape bis unter eine Konsolidierungseinheit vorgeschoben (Tapevorschub). Im folgenden Prozessschritt wird das zugeführte Tape auf den vorher abgelegten Tapelagen, dem so genannten Substrat, angebunden (Tape anbinden). Hierzu wird das thermoplastische Matrixsystem des neu zugeführten Tapes und des Substrats über auftreffende Laserstrahlung aufgeschmolzen. Direkt darauf folgend wird durch Absenken oder Überfahren des neu zugeführten Tapes mit einer Konsolidierungsrolle, dieses auf das Substrat gedrückt, infolgedessen sich die Thermoplastschmelzen miteinander stoffschlüssig verbinden. Im folgenden Schritt wird das Tapelegesystem entlang eines Pfads über die Werkzeugform oder den Wickelkern hinwegbewegt (Tape ablegen/wickeln). Hierdurch wird neues Tape von einer Vorratsspule abgezogen und unter dauerhafter Lasereinstrahlung und Druckeinwirkung durch die Konsolidierungseinheit mit den bereits verarbeiteten Tapes verschweißt. Am Ende des Tapepfads wird der Laser ausgeschaltet und das Tape geschnitten (Tape schneiden). Durch paralleles, pfadweises Ablegen und miteinander Verschweißen der Tapes auf einseitigen Werkzeugformen oder Wickelkernen werden Lagen mit unidirektionaler Faserausrichtung erzeugt. Der Laminataufbau entsteht durch sukzessives schichtweise Aufschweißen weiterer Lagen in unterschiedlichen Faserausrichtungen. Hierbei entspricht die Faserausrichtung dem Ablegepfad.

Autoklavprozess entfällt

Aus Veröffentlichungen ist zu entnehmen, dass seit nun mehr als 20 Jahren das vielfältige und hohe Potenzial der laserunterstützten Verarbeitung thermoplastischer Faserverbundhalbzeuge im Tapewickel- und Tapelegeverfahren bekannt ist. Seit dieser Zeit existieren weltweit Forschungsbestrebungen, um diese Verfahren dem industriellen Einsatz zuzuführen. Nachdem es dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) vor rund drei Jahren gelungen ist, das laserunterstützte Thermoplast-Tapewickeln in die Industrie zu überführen, konnten die Wissenschaftler nun auch im laserunterstützten Thermoplast-Tapelegeverfahren Laminateigenschaften erzielen, welche den industriellen Forderungen entsprechen und selbst an thermogepresste Laminateigenschaften heranreichen. Zum Beleg wurden im laserunterstützten Thermoplast-Tapelegeverfahren gefertigte Laminate, welche anschließend keinem Autoklavprozess unterzogen wurden mit Laminaten verglichen, die im Thermopressverfahren hergestellt wurden. Hierbei zeigte sich, dass bereits diese nicht endkonsolidierten Laminate 90% der Festigkeit der thermogepressten Laminate erzielten. Hinsichtlich der Steifigkeit konnten die Werte des thermogepressten Laminats sogar um bis zu 5% übertroffen werden. Die höhere Steifigkeit führen die Wissenschaftler auf die ondulationsfreie und gestreckte Faserausrichtung im Laminat zurück, die sich durch die hochreproduzierbare Ablage der Tapes unter leichter Zugspannung automatisch einstellt. Da die gewonnenen Werte auf Basis einer ersten Prozessoptimierung entstanden sind, gehen die Wissenschaftler davon aus, dass innerhalb des kommenden Jahres auch die Festigkeitswerte des Thermopresslaminats erreicht werden können. In diesem Falle wäre eine Nachkonsolidierung im Autoklaven nicht weiter erforderlich, so dass die Prozesszeit deutlich verkürzt und hohe Energiemengen und Produktionskosten eingespart werden könnten.

Auf Basis dieser Ergebnisse ist das laserunterstützte Thermoplast-Tapelegeverfahren hervorragend für die Herstellung von Organoblechen zur anschließenden Umformung im Thermoformingverfahren geeignet. Hierbei kann erwartet werden, dass die im Vergleich zum Thermopressverfahren fehlende Festigkeit über ein Nachkonsolidieren während des Thermoformschritts kompensiert wird.

Neue Technologien
Prozess mit hohem Potenzial

Durch die laserunterstützte Verarbeitung thermoplastischer CFK-Prepregs sind endlosfaserverstärkte Kunststoffbauteile der höchsten Leistungsklasse vollautomatisch, energie- sowie ressourceneffizient und dadurch kostengünstig herstellbar. Dieser Prozess ist für die Herstellung großflächiger Bauteile sowie lastoptimierter Organobleche zur Umformung im massentauglichen Thermoformprozess geeignet.

Autor

Über den Autor

Prof. Dr. Christian Brecher, Direktor und Leiter des Bereichs Produktionsmaschinen, Joachim Schlang, Martin Steyer, wiss. Mitarbeiter, Dr. Michael Emonts, Oberingenieur der Abteilung Faserverbund- und Lasersystemtechnik, Fraunhofer-Institut für Produktion