Verfahren für die Fertigung komplexer Faserverbund-Hohlstrukturen

Abstract

Hohlstrukturen aus Faserverbundwerkstoffen sind aus dem Fahrzeug-und Anlagenbau, dem all-gemeinen Maschinenbau sowie dem Sportgerätebau nicht mehr wegzudenken. Das Flechten derartiger Hohlstrukturen ist eine noch junge Technologie mit großem Potenzial, das noch nicht voll ausgeschöpft ist. Das Dresdner Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) hat es sich gemeinsam mit der Leichtbau-Zentrum Sachsen (LZS) GmbH zur Aufgabe gemacht, die Anwendbarkeit der Flechttechnologie in der Industrie weiter zu verbessern. In diesem Beitrag werden die aktuellen Entwicklungsergebnisse auf diesem Gebiet vorgestellt. D as Leichtbaupotenzial faserverstärkter Kunststoffe ist längst kein Geheimnis mehr. In der Luftfahrt hat der jun-ge Werkstoff den Durchbruch bereits geschafft. In ande-ren, kostensensitiveren Branchen wird fieberhaft am großflächi-gen Einsatz von Faserverbundwerkstoffen gearbeitet. Der Schlüs-sel zum Erfolg führt über intelligente Fertigungsverfahren, die es erlauben, Leichtbaustrukturen schnell und reproduzierbar her-zustellen. Konventionelle Verfahren, bei denen etwa Prepreg-La-minate in Handarbeit gelegt werden, kommen überwiegend in Kleinstserien oder für Showteile zum Einsatz. »Bei der Herstellung von komplexen Hohlkörpern wie Antriebswellen und Profilstrukturen scheitern in der Regel konventionelle Preform-und Pressverfahren oder führen zu www.lightweight-design.de Eine besondere Herausforderung stellt die Herstellung von komple-xen Hohlkörpern wie Antriebswellen und Profilstrukturen dar, da hier konventionelle Preform-und Pressverfahren in der Regel scheitern oder zu hohen Kosten führen. Produktive Verfahren zur Ablage der Verstärkungsfasern mit möglichst wenig Verschnitt sind hier gefragt. Das Flechten hat sich in den letzten Jahren als eines der effizientesten Preformverfahren für Hohlstrukturen aus Faserverbundwerkstoff eta-bliert. Wo bis vor Kurzem noch vorgeflochtene Schläuche mühevoll und per Hand auf formgebende Kerne gezogen wurden, wird heute zunehmend direkt auf die Kerne geflochten, das sogenannte Direkt-flechtverfahren. Die so entstehenden Preformen können anschließend in einer geschlossenen Form mit Harz zum Beispiel im RTM-Verfahren infiltriert werden. Das Geflecht wird dabei zwischen Kern und Außen-form verpresst, wobei eines der Formelemente oftmals auch beweg-lich ist und somit die Verpressung gesteuert werden kann. Vor allem Automobilhersteller setzen auf diese Technik. Beim Flecht-verfahren entsteht kaum Verschnittabfall, wodurch nahezu jede der teuren Fasern im Bauteil landet. Weitere Vorteile sind die kurzen Zy-kluszeiten, der geringe Nachbearbeitungsaufwand, die gezielte Ein-stellbarkeit der Faserorientierung und das große Potenzial zur Pro-zessautomatisierung. Auch die guten Oberflächenqualitäten werden gerade von der Automobilindustrie sehr geschätzt. Um den Flechtprozess weiter an die industriellen Bedürfnisse anzu-passen, wird am Leichtbaustandort Dresden an verschiedenen Ent-wicklungsschwerpunkten gearbeitet. Gemeinsam mit den Forschern des ILK haben Experten der LZS GmbH ein variables Flechtauge entwickelt, Bild 1. Damit sind An-triebswellen und Profile aus Faserverbundwerkstoffen mit variablen Querschnitten wirtschaftlich realisierbar. Besonders faserverstärk-te Profilbauteile mit komplexen Geometrien und stark variierenden Querschnitten können dadurch effizient hergestellt werden. Das variable Flechtauge zieht die Fasern selbst in Bereichen gro-ßer Durchmessersprünge gleichmäßig an den Flechtkern her-an. So ist es möglich, die Verstärkungsfasern auch in komplexen Strukturbereichen genau mit der richtigen Faserorientierung ab-zulegen. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für die spätere Belastbarkeit der Bauteile, da eine genaue Einstellung der Faser-richtung Grundlage einer effizienten Faserausnutzung ist. Am ILK wurden mit der automati-sierbaren Einbindung des variab-len Flechtauges in die Steuerung eines Flechtrades Teststrukturen und Prototypen unter seriennah-en Bedingungen geflochten und die Veränderungen der Bauteilei-genschaften untersucht. Es zeig-te sich, dass das neue Flechtau-ge durch die besser steuerbare Geflechtablage eine erhebliche Massereduktion möglich macht. Dabei kommt das Flechtauge mit einem einzigen Antrieb aus. Dessen Drehbewegung wird über einen raffinierten Koppelmechanismus in die kontrahierende Bewegung der Iriselemente übertragen, die das Geflecht an den Kern anlegen. Das variable Flechtauge ist zum Patent angemeldet und wird be-reits vom LZS für neue Bauteilentwicklungen genutzt. Die geomet-rische Vielfalt flechtbarer Strukturen hat sich durch die Entwicklung des variablen Flechtauges stark erhöht, so dass aufwendige Bautei-le, die bisher nur in manuellen Verfahren gefertigt werden konnten, zukünftig automatisiert hergestellt werden können.