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02.05.2017 | Leichtbau | Nachricht | Onlineartikel

Forscher stellen Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau vor

Autor:
Angelina Hofacker

Die sogenannte Orbitalwickeltechnologie könnte neue Maßstäbe in der Großserienfertigung komplexer Strukturbauteile setzen. Am Campus der TU Chemnitz untersuchen Forscher das Potenzial des Verfahrens.

Die Wissenschaftler des Bundesexzellenzclusters Merge und des Instituts für Strukturleichtbau der Technischen Universität Chemnitz haben eine neuartige Technologie zur kontinuierlichen Herstellung von geschlossenen, endlosfaserverstärkten Bauteilstrukturen unterschiedlicher Formen, wie zum Beispiel Rohre, entwickelt. An einer Pilotanlage in der Merge-Forschungshalle auf dem Campus der TU Chemnitz erfolgen derzeit Machbarkeits- und Technologiestudien zur Einstellung des optimalen Herstellungsprozesses. Am 27. April 2017 wurde die Technologie erstmals der Öffentlichkeit vorgestellt.

Ziel der Projektpartner ist es, eine Prozesskette zu erforschen, mit der komplexe Strukturbauteile — beispielsweise Komponenten für Rotorblätter für Kleinwindkraftanlagen oder belastungsgerechte Pkw-Profile — in Großserie gefertigt werden können. Trotz des sehr speziellen Querschnitts dieser Bauteile sei mithilfe der Chemnitzer Technologie eine material- und kosteneffiziente Herstellung möglich. Insbesondere als tragende Strukturen oder Bauteile im Pkw-Antriebsstrang unter besonderer Belastung seien diese faserverstärkten Profile oder Rohre von Bedeutung. Wie die Forscher berichten, befinden sich für deren Fertigung aktuell verschiedene Arten von faserverstärkten Tapes in der Erprobungsphase. Die Materialien werden dabei auf ihre Verarbeitbarkeit zu Hochleistungsbauteilen untersucht.

Kontinuierlicher Orbitalwickelprozess

Das Prinzip des klassischen Thermoplast-Tapewickelns ist im Leichtbau ein bereits etabliertes Verfahren. Beim herkömmlichen Wickelprozess wird ein Tape durch die Rotationsbewegung eines Kerns um diesen herumgewickelt. Das Band — üblicherweise unidirektional faserverstärktes Thermoplast-Tape — wird dabei aus einer angebremsten Spule abgezogen, aufgeheizt, aufgeschmolzen und durch die Rückzugskraft des Bands beim Erkalten mit der zuvor gewickelten Lage gefügt. So wird in der Regel ein rotationssymmetrisches Profil hergestellt. Dieses Verfahren wurde im Rahmen des Bundesexzellenzclusters Merge zum kontinuierlichen Orbitalwickelprozess (englisch: Continuous Orbital Wrapping Process, kurz: COW) weiterentwickelt.

Die Forscher suchen im Rahmen des Bundesexzellenzclusters nach einem Weg, um das Verfahren in eine übergeordnete Wertschöpfungskette integrieren zu können und so vor- und nachgelagerte Prozesse effektiv miteinander zu verknüpfen. Dadurch sollen auch Formen mit einem variablen konkaven oder konvexen Querschnitt kontinuierlich und großserientauglich hergestellt werden. "Wir lassen in der Anlage den Legekopf jeder Wickeleinheit um den Kern rotieren, drehen also damit das Prinzip des Wickelns um", beschreibt Rainer Wallasch, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Bundesexzellenzcluster Merge, das Prinzip des Prozesses.

Die kontinuierliche, lineare Durchführung des Wickelkerns durch mehrere Orbitalräder der Anlage gestatte die großserientaugliche Herstellung nahezu endloser Halbzeuge mit unterschiedlichen Wickelrichtungen. Auf den Orbitalrädern befindet sich den Forschern zufolge jeweils ein Legekopf, die sogenannte Ablegevorrichtung für das Thermoplast-Tape. Dieser bewege sich rotierend um den Kern. "Das Tape wird dann genau so abgelegt, dass der gewünschte Querschnitt entsteht. Der Kern wird dabei weiter kontinuierlich durch die Wickelstationen geführt und so weiter, also theoretisch endlos", erklärt Wallasch. All dem liege ein komplexer Algorithmus mit entsprechender mechanischer und steuerungstechnischer Umsetzung zugrunde, der die Legeköpfe gezielt kinematisch um den Wickelkern bewege. Dieser Prozess soll später für alle gewünschten Bauteilformen anwendbar sein.

Bundesexzellenzcluster Merge

In dem Projekt arbeiten an der TU Chemnitz seit 2012 etwa 100 Wissenschaftler und Techniker an einer Technologiefusion multifunktionaler Leichtbaustrukturen. Ziel ist es, heute noch getrennte Fertigungsprozesse bei der Verarbeitung unterschiedlicher Werkstoffgruppen wie Textilien, Kunststoffe und Metalle zusammenzuführen und mit Sensorik und Aktorik auszustatten. Mehrkomponentenbauteile könnten dann in Großserie kostengünstiger und energieeffizienter produziert werden. Im Bundesexzellenzcluster sind auch Großunternehmen und zahlreiche kleine und mittlere Unternehmen eingebunden, die komplementär die Wertschöpfungskette "vom Werkstoff zur Leichtbaustruktur" abbilden. Die Projektergebnisse des Clusters sollen Märkte der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, des Maschinenbaus und der Mikrosystemtechnik bedienen.

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