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10-06-2021 | Leichtbau | Im Fokus | Article

Mit minimalem Materialeinsatz zum Faserverbundbauteil

Author:
Thomas Siebel
3 min reading time

Die lastpfadgerechte Gestaltung ist grundlegend für materialeffiziente Faserverbundbauweisen. Je nach Anspruch an Konstruktionsaufwand und Fertigungsdauer bieten sich unterschiedliche Ansätze an.

Bauteile sollten stets eindeutig, einfach und sicher konstruiert sein. Im Leichtbau kommt noch eine weitere Grundregel dazu: Strukturen sollten auch lastpfadgerecht ausgelegt sein. Besten Anschauungsunterricht bietet hierfür der Extremleichtbau, der das Verhältnis von Festigkeit und Steifigkeit zum eingesetzten Material auf die Spitze treibt. Ein Beispiel für die Möglichkeiten des Extremleichtbaus ist die 3D-Skelett-Wickeltechnik (3DSW), die unter anderem am Fraunhofer ICT entwickelt wird. Bei der Technik wird ein duroplastisch oder thermoplastisch imprägnierter Endlosgarn zunächst erhitzt, auf ein bauteilspezifisches Werkzeug aufgewickelt, das an einen 6-Achsrobotor montiert ist, und ausgehärtet. Es entsteht ein Bauteil, das Material fast ausschließlich dort vorhält, wo es gebraucht wird: in den Lastpfaden.

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2021 | OriginalPaper | Chapter

Processing Capabilities for Thermoplastic Composites – Minimum Material Consumption and Recyclability

An important measure for improved lightweight performance is utilisation of materials only to the extent, as it is necessary for the application. To achieve a minimum part weight in high volume lightweight applications, it is necessary to combine thermoplastic composite sheet materials exposing different thicknesses.

Die Autoren um Jonathan Haas stellen das Verfahren im Kapitel Gestalten, Design, Fügen, Auslegung, Berechnungsansätze, Simulation, EDV-unterstützte Konstruktion und Kosten von Kunststoffbauteilen (S. 490) des Buchs Polymer Engineering 2 vor. Laut ihrer Darstellung lassen sich mit dem Verfahren im Vergleich zum Stand der Technik bis zu 50 % leichtere Bauteile herstellen. Allerdings ist das Verfahren, das sich derzeit noch in der Entwicklung befindet, in der Konstruktion äußerst anspruchsvoll.

Automatisierte Faserablage mit wenig Verschnitt

Industrieerprobt ist dagegen ein anderes Verfahren: das automatisierte Faser- oder Tapelegen, bekannter unter den englischen Bezeichnungen Automated Fiber Placement (AFP) und Automated Tape Placement (ATP). Dabei werden imprägnierte Fasern, sogenannte Tows, mittels eines Roboters entlang eines zuvor festgelegten Pfads auf das Bauteil gelegt. Bereits während des Ablegens werden die Fasern beziehungsweise die Tapes erhitzt und mit einer Verdichtungswalze in die Form gedrückt, wie die Autoren um Sebastian Meister im Artikel Review of image segmentation techniques for layup defect detection in the Automated Fiber Placement process erläutern.

Ein weiterer Vorteil dieses besonders im Flugzeugbau eingesetzten Verfahrens ist die hohe Materialeffizienz, da bei der Faserablage vergleichsweise wenig Verschnitt entsteht. Demgegenüber steht jedoch die hohe Zykluszeit in der Fertigung, wie David May im Kapitel Phase 2: Konzept-/Entwurfsphase des Buchs Integrierte Produktentwicklung mit Faser-Kunststoff-Verbunden erläutert.

Verschieden dicke Organobleche simultan verarbeiten

Einen neuen Prozess für die lokale Verstärkung von Leichtbaustrukturen, der auch den Prozesszeitvorgaben der Automobilindustrie genügt, stellen Norbert Müller und Philipp Seinsche in ihrem Artikel Processing Capabilities for Thermoplastic Composites – Minimum Material Consumption and Recyclability im Tagungsband Technologies for economic and functional lightweight design vor. Die Grundlage bildet das Umspritzen von vorimprägnierten Faser-Matrix-Halbzeugen, sogenannten Organoblechen, das bereits heute in der Herstellung von Türmodulen oder Frontendträgern eingesetzt wird. Dabei werden die Organobleche unter moderater Temperatur zunächst zu Preforms geformt, in einem zweiten Schritt mit einem thermoplastischen Kunststoff umspritzt und anschließend ausgehärtet.

Neu an dem nun vorgestellten Verfahren ist, dass Organobleche dreier unterschiedlicher Dicken gleichzeitig in einem automatisierten Prozess verarbeiten können. Dadurch lassen sich Steifigkeiten und Festigkeiten in unterschiedlichen Bereichen eines Bauteils individuell einstellen. Allerdings ist die simultane Verarbeitung der unterschiedlichen Halbzeuge technisch anspruchsvoll, wie die Autoren ausführen, da die Faser-Matrix-Halbzeuge je nach Dicke unterschiedlich lange Aufheizzeiten und Zeitfenster für die Weiterverarbeitung aufweisen.

Lokal verstärkte Türmodule in 70 s

Die Firma Engel Austria, die das Verfahren unter anderem in Zusammenarbeit mit dem Automobilzulieferer Brose entwickelt hat, löst diese Aufgabe mit einer Kombination aus zweiseitig und einseitig heizenden Infrarotöfen. Beispielhaft angewendet haben die Unternehmen das Verfahren bei der Fertigung einer Fahrzeugtür. Dabei besteht die dünne, aber crashresistente Schale aus einer 0,6 mm dicken Lage, während Teile der außerordentlich steifen und festen Fenstereinhausung mit bis zu 2,5 mm dicken thermoplastischen Lagen aufgebaut wird. Mit dem vollautomatisierten Verfahren lassen sich die Türmodule innerhalb von 70 s fertigen.

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