Die JEC 2019 zeigte mit vier Innovation Planets lösungsorientierte Bereiche, in denen Besucher die neuesten Trends der einzelnen Branchen entdecken können. (Bildquelle: Lange)

Die JEC 2019 zeigte mit vier Innovation Planets lösungsorientierte Bereiche, in denen Besucher die neuesten Trends der einzelnen Branchen entdecken können. (Bildquelle: Lange)

Seit Jahren wächst der Markt für faserverstärkte Verbundwerkstoffe. Bis zum Jahr 2020 könnte der weltweite Umsatz mit diesen Materialien bis zu 90 Mrd. Dollar betragen. Dabei stellt die Großserienproduktion für Composites die Hersteller immer noch vor einige Herausforderungen. Aber die Prognosen beispielsweise für die deutsche Verbundwerkstoffbranche sind vielversprechend. Dieser Trend zeichnete sich auch auf der diesjährigen JEC World ab: Deutschland ist in Bezug auf die Aussteller- und Besucherzahlen dauerhaft in den Top 3 vertreten. Im Jahr 2018 verzeichnete Deutschland die zweithöchste Teilnehmerzahl unter 115 Ländern. Dieser Trend hielt auch für die JEC World 2019 an. Es gab sieben deutsche Pavillons und den zweiten Platz für die Anzahl deutscher Aussteller.

Auf der JEC 2019 wurden 30 Finalisten für den JEC Innovation Award von einer internationalen Expertenjury aus mehr als 100 Bewerbungen ausgewählt. Sie traten in zehn Kategorien an, darunter der neue 3D-Druck. „Das Programm der JEC Innovation Awards ist symbolträchtig und belohnt Pioniere der Verbundstoffinnovation. Der 3D-Druck spielt in unserer Branche eine neue Rolle. Die Kombination aus leichten und langlebigen Materialien, die eine große Designfreiheit ermöglichen, mit Technologien, die komplexe Formen ermöglichen, ist für die Hersteller von großem Interesse. Viele Hersteller haben damit begonnen, Autoteile, Flugzeugteile oder Gebäudewände zu drucken“, sagte Franck Glowacz, Innovation Content Leader bei der JEC Group.

Kontinuierlicher faserbasierter 3D-Druck

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Gewinner des JEC Innovation Award in der Kategorie 3D-Druck war dieses Jahr Continuous Fibre 3D Printing (CF3D). Das Unternehmen kombiniert Verbundwerkstoffe mit einem 3D-Druckverfahren und schafft so einen Out-of-Autoclave-Prozess ohne Form. (Bildquelle: Oliver Lange)

Gewinner des JEC Innovation Award in der Kategorie 3D-Druck war dieses Jahr Continuous Fibre 3D Printing (CF3D). Das Unternehmen kombiniert Verbundwerkstoffe mit einem 3D-Druckverfahren und schafft so einen Out-of-Autoclave-Prozess ohne Form. Das Ergebnis ist eine drastische Reduzierung der Kosten und Durchlaufzeiten. Die Technologie ist ein revolutionärer Herstellungsprozess für Verbundwerkstoffe. Anstatt kostspielige Prepregfasern zu verwenden, werden leistungsstarke trockene Endlosfasern mit einem schnell aushärtenden Duroplast im Druckkopf imprägniert. Der Kopf ist an einem Industrieroboter befestigt, der von der Software des Unternehmens gesteuert wird. Die vollimprägnierte Faser wird durch den Druckkopf gezogen, wo beim Ausstoß eine hochintensive Energiequelle auf die nasse Faser gerichtet wird, die die Faser(n) sofort aushärtet und zu einem echten 3D-Verbundteil macht. Da die Faser unmittelbar nach der Entladung ausgehärtet wird, benötigt die Technologie keine Formen oder andere Trägermaterialien.

Auf diese Weise können Designänderungen, verkürzte Durchlaufzeiten und komplexe Designs mit starken und leichten Verbundwerkstoffen gedruckt werden. Das 3D-Drucken ist nicht auf das Stapeln von 2D-Laminaten beschränkt und kann Fasern aus der XY-Ebene in die Z-Richtung drucken. Dies eröffnet neue Konstruktionsmöglichkeiten und ermöglicht die Optimierung des Lastwegs durch Drucken der Fasern in Richtung der Hauptspannungen und -dehnungen. Mehrere Teile können nun zu Einzelteilen werden, wodurch Verbindungselemente reduziert und Teile leichter und effizienter werden.

Anstatt kostspielige Prepregfasern zu verwenden, werden leistungsstarke trockene Endlosfasern mit einem schnell aushärtenden Duroplast im Druckkopf imprägniert. (Bildquelle: CF3D)

Anstatt kostspielige Prepregfasern zu verwenden, werden leistungsstarke trockene Endlosfasern mit einem schnell aushärtenden Duroplast im Druckkopf imprägniert. (Bildquelle: CF3D)

Der Druckprozess reduziert intensive manuelle Arbeit und macht teure Investitionsgüter wie Autoklaven und Öfen überflüssig, was die Kosten und Eintrittsbarrieren für die Herstellung von Verbundteilen weiter reduziert. Die erzeugten Teile sind auch als Netzform gedruckt, was Materialverschwendung eliminiert und die Kosten weiter senkt. Da das Verfahren trockene Fasern verwendet und in situ imprägniert, sind die Kosten für die dabei verwendeten Materialien exponentiell (+50x) niedriger als bei Prepregs, die häufig bei traditionellen Verbundwerkstoffherstellungstechniken verwendet werden. Mit der Technologie kann man sowohl Strukturfasern, wie Carbon und Kevlar, als auch Funktionsfasern, beispielsweise Glasfaser und Metalldraht, drucken.

 

 

 

 

Biobasierte, selbstverstärkte Verbundwerkstoffe

Die Gewinner des JEC Innovation Award Bildquelle: JEC World

Die Gewinner des JEC Innovation Award. Bildquelle: JEC World)

Neben dem 3D-Druck ist das Thema Nachhaltigkeit verstärkt in den Fokus der Branche gerückt. Als Gewinner in dieser Kategorie wurde die Technische Universität Dänemark ausgezeichnet. Im Rahmen des Bio4self-Projekts präsentierte die TU biobasierte, leicht zu recycelnde, selbstverstärkte Verbundwerkstoffe unter Verwendung hochsteifer PLA-Fasern für den Einsatz in Sport-, Automobil- und medizinischen Anwendungen.

Angetrieben von dem Wunsch, Umweltprobleme anzugehen und auf die EU-Kunststoffstrategie hinzuarbeiten, sind die entwickelten Verbundwerkstoffe vollständig biobasiert, leicht recycelbar, umformbar und sogar industriell biologisch abbaubar. Die Verbundwerkstoffe werden aus nur einer Art von Material hergestellt: Polymilchsäurester oder PLA, ein thermoplastischer Biopolyester aus nachwachsenden Rohstoffen wie landwirtschaftlichen Abfällen, Non-Food-Kulturen oder Zuckerrohr.

Abgesehen von einigen medizinischen Anwendungen, wie Gewebegerüsten, ist der PLA-Einsatz derzeit sehr begrenzt, beispielsweise bei wenig anspruchsvollen Verpackungen oder Agrotextilien. Bio4self hat PLA als Teile für Automobil- und Haushaltsgeräte auf die nächste Anwendungsebene gebracht, indem es zwei Arten von PLA zu sogenannten selbstverstärkten PLA-Verbundwerkstoffen (PLA SRPC) kombiniert hat.(

Für die Herstellung von SRPCs werden zwei verschiedene PLA-Typen benötigt: ein niedrigschmelzender PLA-Typ zur Bildung der Matrix und ein ultrahoher Steifigkeitsgrad und hochschmelzender PLA-Typ zur Bildung der Verstärkungsfasern. Die beiden für Bio4self ausgewählten PLA-Typen weisen eine Schmelztemperaturdifferenz von etwa 20°C auf, so dass ein ausreichendes Temperaturverarbeitungsfenster bleibt. Bio4self-Innovationen bewältigen so gleich mehrere Herausforderungen im Zusammenhang mit der Herstellung von PLA SRPC: Formulierung eines nässe- und feuchtigkeitsbeständigen PLA-Typs; Schmelzextrusion von ultrahochsteifen PLA-Verstärkungsfasern; Entwicklung von (Konsolidierungs- und Thermoform-)Herstellungsverfahren zur Herstellung des leistungsfähigsten SRPC-Materials; und industrielle Produktionssteigerung.

Damit entspricht der entwickelte PLA SRPC den Anforderungen aktueller kommerzieller, selbstverstärkender Polypropylen (PP)-Verbunde. Selbstverstärkte PLA-Verbundwerkstoffe aus 0/90-Gewebe weisen eine Steifigkeit von 4 GPa auf, was mit der Steifigkeit von selbstverstärktem PP vergleichbar ist, aber der PLA SRPC hat den Vorteil, dass erneuerbare Materialien mit einer besseren End-of-Life-Perspektive verwendet werden.

Modulares Produktionssystem zur Massenproduktion

Ein Dauerthema der Verbundwerkstoffe ist die wirtschaftliche, industrielle Produktion der Bauteile. Auch hier zeigt der JEC Innovation Award in der Kategorie Industrie & Ausrüstung wieviel Innovationskraft in der Branche steckt. Ausgezeichnet wurde ein modulares Produktionssystem zur Massenproduktion von individuellen Tailored Blanks auf Basis eines Stückflussansatzes in Kombination mit lasergestützter thermoplastischer Bandplatzierung mit In-situ-Konsolidierung. Entwickelt hat dieses Verfahren das AZL-Institut der RWTH Aachen in Zusammenarbeit mit vielen namenhaften Partnern aus der Industrie.

Die neuesten Laminatproduktionstechnologien mit thermoplastischen Bändern sind produktiv begrenzt, da das tabellenbasierte Verarbeitungsprinzip einen beweglichen Tisch oder ein Robotersystem in Kombination mit einem Bandplatzierungsapplikatorsystem verwendet. Dies bietet eine sehr hohe Flexibilität, ist aber nicht für die Massenproduktion geeignet.

Die neue ultraschnelle Consolidator-Maschine bietet sowohl hohe Flexibilität als auch Massenproduktion. Vollverdichtete Mehrschicht-Laminate mit unterschiedlichen Faserrichtungen und minimiertem Ausschuss (Tailored Blanks) können erstmals in Zykluszeiten unter fünf Sekunden hergestellt werden, während die neuesten Maschinen mehrere Minuten benötigen. Dies wird durch ein neues Stückflussprinzip erreicht, das in der Druckindustrie Stand der Technik ist, bisher aber nicht in der Verbundproduktion eingesetzt wird.

Das Produktionsprinzip basiert auf beweglichen Trägerplatten (für den Transport der Laminate), die von einem Fördersystem bewegt und mehreren Applikatorstationen zugeführt werden. Jede Applikationsstation ist mit innovativen schmalen Applikatorkassetten für die laserunterstützte Bandplatzierung mit fließendem Cut-and-Add ausgestattet. Die Applikatorkassetten sind 50 mm breit und können eine Bandbreite von 25 mm verarbeiten. Auch größere Bandbreiten sind möglich, da die Applikatorkassetten skalierbar sind.

Die Kassetten in jeder Station können in Y-Richtung verschoben werden, kurz bevor die beweglichen Träger in X-Richtung durch die Applikatorstation geführt werden. Vor jeder Station kann der Träger in einem genauen Winkel gedreht werden, so dass jede Applikatorstation eine Bandrichtung (Faserwinkel) verarbeiten kann. Das neue Maschinensystem ist modular skalierbar: Mehrere Applikationsstationen können hinzugefügt werden, beispielsweise für jede Schicht eine Applikationsstation für die Massenproduktion, oder die Maschine kann mit einer oder zwei Applikatorstationen mit einem Förderkarussell konfiguriert werden, wobei die Träger mehrfach durch die Applikationsstationen bewegt werden.

Auch die Preisträger in den anderen Kategorien Luft- und Raumfahrt, Automobil, Bauwesen & Infrastruktur, Sport & Gesundheit und Landverkehr machen deutlich: Die Verbundwerkstoffe sind in riesigen Schritten Richtung industrieller Anwendung unterwegs.

Über den Autor

Oliver Lange

ist freier Redakteur des Plastverarbeiter.