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Verbundwerkstoff

JEC Aerospace Innovation Award 2019 geht an Herone

| Redakteur: Dorothee Quitter

Die Herone GmbH aus Dresden hat zusammen mit seinen Entwicklungspartnern Victrex und TU Dresden den JEC Innovation Award 2019 in der Kategorie Aerospace Application für ein ganz aus thermoplastischen Kunststoffen bestehendes Antriebswellensystem mit angespritztem Zahnrad erhalten.

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Beim prämierten Antriebswellensystem mit angespritztem Zahnrad wurde die Hohlprofiltechnologie von Herone mit der Hybrid-Moulding-Technologie von Victrex verbunden.
Beim prämierten Antriebswellensystem mit angespritztem Zahnrad wurde die Hohlprofiltechnologie von Herone mit der Hybrid-Moulding-Technologie von Victrex verbunden.
(Bild: Victrex/Herone)

Die Antriebswelle besteht aus einem aus thermoplastischen UD-Tapes geflochtenen Vorformling, einem sogenannten „organoTube“, der zuerst zu einem stoffschlüssigen Composite-Rohr konsolidiert und anschließend im Spritzgusswerkzeug mit Victrex PEEK 90HMF40 überspritzt wird. Die unidirektionalen Tapes bestehen aus kontinuierlichen Kohlenstofffasern, die mit Victrex 250 imprägniert wurden. Das Verfahren wurde vom Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden und von der herone GmbH entwickelt, um hochwertige Hohlprofile aus endlosfaserverstärkten PAEK-Verbundwerkstoffen herzustellen. Die Kombination mit dem Spritzguss erlaubt dabei, weitere Funktionen zu integrieren; in diesem Fall ein Zahnrad mit stoffschlüssiger Anbindung und geometrischen Hinterschnitten, die höhere Torsionsfestigkeit ermöglichen.

Durch die Nutzung thermoplastischer Tapes zum Formen der organoTubes ist der komplexe und zeitaufwendige Prozessschritt des Imprägnierens der Karbonfasern mit thermoplastischem Matrixmaterial bereits vor der Formgebung abgeschlossen. Dies eröffnet Potenzial für deutlich kürzere Zykluszeiten und Effizienzsteigerungen bei den Herstellungsprozessen für Verbundstoffprofile. Darüber hinaus ermöglicht das Flechten hohe Legeraten und macht den Prozess auch für die industrielle Fertigung in großem Maßstab geeignet.

Das Hybrid-Spritzgussverfahren basiert auf der sehr guten Verschweißbarkeit der beiden Materialien. Es werden kohäsive Bindungen auf Molekülebene zwischen der Welle und dem Zahnrad erzeugt. Gleichzeitig wird die Antriebswelle beim Überspritzen thermogeformt. Die Schmelztemperatur von VICTREX AE 250 liegt ungefähr 40 °C unter der des mit kurzen Carbonfasern verstärkten VICTREX PEEK 90HMF40. Dieser Unterschied bedeutet, dass das Matrixpolymer, aus dem die Welle hergestellt ist, vor dem Umspritzen nicht über seine Schmelztemperatur hinaus vorgewärmt werden muss. Dieser Verarbeitungsansatz von Victrex ist als „Hybrid Moulding“ bekannt und führt zu erheblich verbesserter Ressourceneffizienz, Prozesssicherheit und Verbindungsfestigkeit.

Die Technologie birgt enormes Potenzial für Leichtbau-Anwendungen in der Luftfahrt. Sie soll folgende Vorteile bringen:

  • Verbesserte Teilequalität, zum Teil aufgrund der Flexibilität des Flechtprozesses der UD-Tapes
  • Kurze Zykluszeiten, da die Konsolidierungstechnologie von herone Zykluszeiten im Bereich von Minuten ermöglicht
  • Kostensenkung durch intelligentes Design mit integrierter Funktionalität, wodurch die Anzahl der Bauteile und die Montagekosten gesenkt werden
  • Leistungsverbesserung, da kohäsive stoffschlüssige Bindungen und Hinterschnitte die Festigkeit erhöhen
  • Finale Formgebung der thermoplastischen CFK-Rohre während des Umspritzens bildet die formschlüssige Geometrie mit den speziellen Eigenschaften (z. B. eine sternförmige Innenkontur)

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