Composites Bionische CFK-Komponenten günstig funktionalisieren

Quelle: Pressemitteilung

Am Fraunhofer IPT formte man Organobleche um, die dann mit funktionalisierenden Kunststoffelementen versehen wurden. Das spart Kosten, Zeit und Material.

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Bionisch verstärkter Biostrukt-Demonstrator aus thermoplastischem, carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK). Am Fraunhofer IPT kann man zeigen, wie man so günstiger zum FVK-Bauteil kommt.
Bionisch verstärkter Biostrukt-Demonstrator aus thermoplastischem, carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK). Am Fraunhofer IPT kann man zeigen, wie man so günstiger zum FVK-Bauteil kommt.
(Bild: Fraunhofer IPT)

Hochleistungsmaterialien wie Carbonfasern lassen sich in Kombination mit einer Kunststoffmatrix in bionische Strukturen einbetten. Um auch noch funktionalisierte FVK-Bauteile (Faserverstärkter Kunststoff) herzustellen, formte das Fraunhofer IPT Organobleche thermisch um. Anschließend wurden diese vom Partner im dabei zugrunde liegenden Projekt Biostrukt SK Industriemodell mit Kunststoff hinterspritzt. Das Ziel ist, das CFK-Material durch optimale Auslegung des Bauteils auf die jeweilige Belastung effizienter zu nutzen.

Optimierte Belastung durch gelenkte Faserorientierung

Kraftflüsse verlaufen im Bauteil, wie in der Natur, oft kurvenförmig, führen die Forscher aus. Das Ablegen gelenkter Fasern in gekrümmten Tapebahnen, Fiber Steering genannt, ist aber ein komplexes Unterfangen, das es erschwert, den Prozess auf eine Serienfertigung zu übertragen, um solche Bauteile günstiger zu machen.

Hier setzte das Projekt Biostrukt an, heißt es weiter. Denn um das gesamte Potenzial bionischer Strukturen auszuschöpfen und den Prozess auf ein industrielles Niveau zu bringen, modifizierte man die zugehörige Anlagentechnik. Die Experten betrachteten die gesamte Prozesskette inklusive der Handhabung der entstandenen Halbzeuge. Damit die bionischen Strukturen während des Thermoformens die gewünschten Faserausrichtungen bewahren, müssen die Organobleche im aufgewärmten Zustand gezielt eingespannt werden, betonen die Experten. Die drei Produktionsverfahren Tapelegen, Thermoformen und Hinterspritzen kombinierten die Projektpartner dabei auch noch mit einem Greifroboter, der die umgeformten Bauteile automatisiert in das Werkzeug der Spritzgießmaschine einlegt. Eine kontinuierliche Qualitätsüberwachung, die geometrische Ungenauigkeiten und Defekte detektiert, sichert Prozess und Bauteil ab.

Seriennahes Tapelegen im Prototypenstatus

Um Tapes mit thermoplastischer, also wieder schmelzbarer, Matrix in Kurvenbahnen mit definierten Radien abzulegen, um belastungsoptimierte Organobleche herzustellen, entwickelte man das bereits am Fraunhofer IPT bestehende In-situ-Tapelegesystem (Prepro 2D) weiter. Sie passten das System aber mechanisch und steuerungstechnisch an das Fiber Steering an, sodass bionische Organobleche automatisiert, also produktiver, gefertigt werden können. Der weiterentwickelte Legeprozess erlaube es, die FVK-Bauteile zuverlässig und kostensprend auch in großen Stückzahlen herzustellen.

Datenanalyse à la Industrie 4.0 darf nicht fehlen

Die Beteiligten erfassen, speichern und analysieren auch alle Daten, die während der Herstellung des FVK-Bauteils gewonnen werden. So konnten sie die Qualität des Halbzeugs und des produzierten Bauteils untersuchen sowie die entwickelte Prozesskette wirtschaftlich und technologisch ganzheitlich bewerten, wie man erklärt. Darüber hinaus prüften sie die Bauteile im Rahmen von Druckprüfungen auf ihre mechanische Belastbarkeit. Es zeigte sich, dass die bionische Verstärkung, verglichen mit einem nicht auf diese Weise verstärkten Bauteil, zu einer erheblichen Zunahme der Bauteilfestigkeit führt. Der digitalisierte Produktionsprozess reduziert nach Aussage der Forscher den Materialeinsatz und ist deshalb vergleichsweise ressourceneffizient.

Das Projekt Biostrukt wurde im Übrigen durch Mittel des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) Produktion.NRW gefördert. Seine Laufzeit war von November 2018 bis Februar 2022.

Beteiligte Forschungseinrichtungen und Industriepartner: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen (Projektleitung), die Apodius GmbH, Aachen und die SK Industriemodell GmbH, Übach-Palenberg.

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