Etablierung von FVK in der Großserie

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) nehmen als hochbelastbare Leichtbauwerkstoffe eine Schlüsselrolle für die Reduktion von Energie, Material und Emissionen in unterschiedlichen Anwendungen und Branchen ein. Dabei ist der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen heute nicht mehr auf variantenreiche Kleinserien oder Einzelstücke beschränkt. Mit heutigen Produktionsprozessen lassen sich bereits kurze Zykluszeiten im Minutenbereich und damit große Serien wirtschaftlich realisieren.

Das IKV betrachtet schwerpunktmäßig die folgenden Prozessketten für faserverstärkte Duroplaste und Thermoplaste:

  • Flüssigimprägnierverfahren endlosfaserverstärkter Duroplaste (RTM und Nasspressen)
  • Herstellung und Umformung endlosfaserverstärkter Thermoplaste (UD-Tapes und Organobleche)
  • Kontinuierliche Rovingverarbeitung (Pultrusion und Wickeln)
  • Fließpressen langfaserverstärkter Pressmassen
  • Spritzgießen kurz- und langfaserverstärkter Thermoplaste und Duroplaste

Im Fokus steht dabei neben den technischen Aspekten immer die Großserientauglichkeit bzw. Wirtschaftlichkeit der Verarbeitungsverfahren.

Interdisziplinäre Forschung zu faserverstärkten Duroplasten und Thermoplasten

Für die wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen in größeren Stückzahlen besteht die wesentliche Herausforderung nicht mehr allein in der Erzielung hoher Bauteileigenschaften und einer weiteren Optimierung der Zykluszeiten, sondern insbesondere in der:

- Steigerung der Kosten- bzw. Materialeffizienz
- Erhöhung der Robustheit und Produktivität der Fertigungsprozesse
- richtigen Dimensionierung der Bauteile zur vollen Ausnutzung des Werkstoffpotenzials
- Individualisierung und Selbstregulation der Fertigungsprozesse 

Um die oben genannten Herausforderungen ganzheitlich zu lösen, bildet die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit mit den Forschungspartnern des Composite-Netzwerks der RWTH Aachen University den Schlüssel zur erfolgreichen Überführung von faserverstärkten Kunststoffen in die Großserie.

Das IKV erforscht mit seinen Forschungspartnern seit mehr als 30 Jahren Verarbeitungsverfahren und Prozessketten für faserverstärkte Kunststoffe und weitere Leichtbauwerkstoffe unter werkstoffwissenschaftlichen und produktionstechnischen Aspekten bis hin zur vollständigen Prozesskettenintegration und dem Up-Scaling beim durch das IKV mitgegründeten Aachener Zentrum für integrativen Leichtbau (AZL).

Aktuelle Forschungsthemen im Bereich der faserverstärkten Kunststoffe

Bei der Fertigung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) ist zwangsläufig ein Kompromiss aus Bauteilkomplexität und mechanischen Eigenschaften erforderlich. Zur Erhöhung der Bauteilkomplexität und zur Funktionsintegration von hochbelastbaren endlosfaserverstärkten duroplastischen Leichtbauteilen bietet das Hinterspritzen von duroplastischen Formmassen ein hohes Potenzial.

Wie beim integrierten Umformen und Hinterspritzen von thermoplastischen FVK (Organoblechen) können dadurch die bekannten Leichtbaueigenschaften endlosfaserverstärkter FVK mit der Bauteilkomplexität des Spritzgießens auch für duroplastische Bauteile kombiniert werden.

Dabei werden zwei Prozessrouten verfolgt: Das Hinterspritzen von zuvor im etablierten RTM-Verfahren hergestellten Bauteilen (zweistufige Prozessroute) sowie von Towpreg/Prepreg-Materialien, welche prozessintegriert im Spritzgießprozess aushärten (einstufige Prozessroute).

Aktueller Forschungsschwerpunkt liegt auf der Analyse der relevanten Einflussfaktoren auf den entstehenden duroplastisch-duroplastischen Haftverbund. Hierzu wird neben der Materialkompatibilität und den Prozessparametern insbesondere der Einfluss der Oberflächentopographie der endlosfaserverstärkten Komponente z. B. durch Variation des Aushärtegrades sowie Anwendung verschiedener Oberflächenvorbehandlungsverfahren untersucht. Zur Charakterisierung der mechanischen Verbundeigenschaften wurde ein geeigneter Prüfkörper mittels strukturmechanischer Simulationsarbeiten ausgelegt. 

Die Einsparung von Rohstoffen und Energie sowohl bei der Herstellung als auch in der Nutzung von Produkten ist eine immer wichtiger werdende Herausforderung. Gleichzeitig soll dabei die Leistungsfähigkeit der Bauteile erhalten, wenn nicht gar erhöht werden. Das IKV untersucht im Projekt „InProLight“ in Zusammenarbeit mit Partnern aus Industrie und Forschung die Prozessschritte 3D-Faserspritzen und variotherme Konsolidierung. Die Forschungsschwerpunkte liegen in beiden Prozessschritten in der Steigerung der Bauteilkomplexität und deren Einfluss auf die spätere Bauteilqualität sowie der weiteren Optimierung der Prozesstechnik. Mit der im Projekt aufgebauten Prozesskette ist es erfolgreich gelungen einen komplexen Demonstrator herzustellen, mit dem das Potenzial der Technologien 3D-Faserspritzen, variotherme Konsolidierung, Laserschweißen und Laserschneiden gezeigt werden konnte. Die Direktverarbeitung hybrider Preforms mittels variothermer Konsolidierung ermöglicht es, die beim 3D-Faserspritzen lastgerecht eingestellte Faserorientierung zu erhalten und ohne weitere Umformung komplexe Bauteile herzustellen. Es konnte gezeigt werden, dass mit dem Laserdurchstrahlschweißen faserverstärkte Thermoplaste mit hohen Faservolumengehalten und daraus resultierenden geringen Transmissionsgraden großserientauglich geschweißt werden können. Mit dem abschließenden Laserschneiden des dreidimensionalen Bauteils wurde eine saubere und ablagerungsfreie Schnittkante in kurzen Zykluszeiten erreicht.

Entwicklung funktionalisierter, unidirektionaler faserverstärkter Halbzeuge zur großserientauglichen Herstellung neuartiger, hochbelasteter Kunststoffbatteriegehäuse für Elektrofahrzeuge (EFRE NRW)

Zur Herstellung von Batteriegehäusen für die Elektromobilität wird heutzutage vornehmlich Aluminium oder Stahl verwendet um die zahlreichen Funktionen, wie zum Beispiel die Aufnahme mechanischer Lasten (crash-, statische-, dynamische), Thermomanagement und elektromagnetische Abschirmung, zu erfüllen. Diese Werkstoffe und die hohen mechanischen Anforderungen führen zu einer hohen Gesamtmasse des Batteriegehäuses. Leichtbaumaterialien, wie thermoplastische faserverstärkte Kunststoffe (TP-FVK) haben das Potential die hohen mechanischen Anforderungen bei deutlich geringerem Gesamtgewicht zu erfüllen. Zur Herstellung von TP-FVK Bauteilen eignen sich in großem Maße integrierende Fertigungsverfahren, z.B. die Umformung und Funktionalisierung im Fließpressverfahren. Als Verstärkungskomponente finden hierbei TP-FVK-Halbzeuge (z.B. Laminate aus UD-Tapes und Organobleche) Anwendung. Allerdings erfüllen TP-FVK nicht die gestellten Anforderungen hinsichtlich elektromagnetischer Abschirmung oder des Thermomanagements. Die umfänglichen Anforderungen an ein Leichtbaukunststoffbatteriegehäuse wird jedoch potenziell von einem Multimaterialsystem erfüllt.

Forschungsziel

Das Gesamtziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von neuartigen unidirektionalen TP-FVK zur großserientauglichen Herstellung von Kunststoffbatteriegehäusen für Elektrofahrzeuge. Ziel der Forschungsaktivität am IKV ist es neuartige funktionalisierte thermoplastische UD-Tapes zu entwickeln, die in einem weiteren Prozess zu Multimaterial-Tapegelegen verarbeitet werden, die wiederum die Basis der Batteriegehäuse bilden.

Eine Anlagentechnik zur TP-FVK-Halbzeugherstellung wurde bereits mit den Projektpartnern Breyer, Kümpers und Pixargus am IKV im Rahmen des Projektes „LightFlex“ aufgebaut und in Betrieb genommen. Diese Anlage verfügt über die Möglichkeit, Faser- und Matrixmaterial sowie die UD-Tapeparameter (Imprägniergüte, Faserverteilung, Fasergehalt, Breite, Dicke) zu variieren. Zum Einsatz in Kunststoffbatteriegehäusen werden Anforderungen und Werkstoffkonzepte ausgearbeitet, die die Basis bilden, am Markt verfügbare und geeignete Werkstoffe zur Herstellung von UD-Tapes zu identifizieren. In diesem Beitrag werden Ergebnisse der Materialkonzeptauswahl vorgestellt, die jetzt als Basis der notwendigen Prozessentwicklung zur Herstellung der UD-Tapes dienen. Hierbei sind die grundlegenden Wirkzusammenhänge zwischen Prozess und UD-Tapeeigenschaften auf die neuartigen Materialkombinationen zu übertragen. Als Quantifizierungsmethode werden mikroskopische Querschnittsaufnahmen der UD-Tape hinsichtlich Porengehalts und Faserverteilung bewertet.

Projektpartner

Kautex Textron; Frimo Lotte; PAART Engineering; Fraunhofer IPT

Der Fahrzeugleichtbau besitzt zur Verbrauchsreduzierung und zur Senkung der CO2-Emission eine entscheidende Bedeutung. Faserverstärkte Kunststoffe (insb. CFK) bieten das Potenzial erhebliche Gewichtseinsparungen zu realisieren. Ein Ansatz zur wirtschaftlichen und großserientauglichen Fertigung von gekrümmten Bauteilen stellt das am IKV entwickelte Spaltimprägnierverfahren dar.

Bei diesem Verfahren lässt sich zur Imprägnierung der Fasern ein temporärer Fließspalt erzeugen, der nach der Einleitung des Harzsystems durch ein geeignetes Schließkonzept geschlossen werden kann. So lassen sich Bauteile mit sowohl monolithischem als auch sandwichartigem Aufbau mit beidseitig glatten Oberflächen, hoher Laminatqualität, Prozessrobustheit und in kurzen Zykluszeiten reproduzierbar herstellen.

Entwicklungsziel des Forschungsvorhabens war die anforderungs-, werkstoff- und fertigungsgerechte Auslegung von Außenhautbauteilen für dieses neu entwickelte Fertigungsverfahren sowie die Optimierung des Verfahrens für die Fertigung dieser Bauteile. Als Ergebnis wurde eine CFK-Motorhaube als Technologiedemonstrator hergestellt, der die Ergebnisse der neuen Technologie nachweist und das Potenzial praktisch aufzeigt.

Nachweislich besitzt die spezifische Prozessführung bei der Herstellung von FVK direkten Einfluss auf die Bauteilqualität und hier insbesondere auf die Formhaltigkeit und die Oberflächenbeschaffenheit.

Ziel des Forschungsvorhabens am IKV ist es, ein verbessertes Verständnis der prozessabhängigen schwindungsinduzierten Volumenänderungseffekte bei der Verarbeitung von duroplastischen faserverstärkten Kunststoffen (FVK) zu gewinnen und die Vorhersagegenauigkeit aktueller Simulationsmethoden zu steigern.

Zunächst konzentriert sich die Forschung am IKV auf die Entwicklung einer neuartigen Prüfmethode zur Analyse der im Prozess ablaufenden thermo- und chemo-mechanischen Phänomene im Labormaßstab eingesetzt. Insbesondere werden die Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern und den maßgeblichen Phänomenen Reaktionsverlauf, Schwindung und Interfaceausbildung zwischen Faser und Matrix unter Verwendung einer online-Sensorik untersucht. Aufbauend auf den experimentell ermittelten Erkenntnissen werden parametrisierte Materialmodelle entwickelt, die die Grundlage für einen Multi-Skalen-Simulationsansatz bilden. Dieser wird sowohl für die numerische Vorhersage des sich ausbildenden Eigenspannungszustandes im Mehrschichtverbund als auch für die numerische Berechnung resultierender Oberflächenwelligkeiten verwendet. 

In dem Forschungsprojekt iCompsite4.0 wird der Aufbau eines wissensbasierten Produktionssystem zur Fertigung hybrider FVK-Bauteile erforscht. Der verwendete Multimaterialansatz ermöglicht durch ein gezieltes Design kostengünstige Materialien sinnvoll einzusetzen und somit Kosten einzusparen. Die Abweichungen eines hochproduktiven, aber Schwachstellen behafteten, Fertigungsprozesses zur Ablage von Glasfasern mit 50 mm Länge (3D Faserspritzen) werden in nachfolgenden Schritten durch autonome Entscheidungen des Produktionssystems korrigiert. Hierzu erfolgt zunächst eine inline Messdatenerfassung durch ein optisches Messsystem auf dessen Basis durch einen intelligenten Algorithmus die Anpassung des zweiten Produktionsschrittes (Towpreg Placement mit endlosfaserverstärkten Kohlenstofffasern) erfolgt. Dieser zweite Produktionsschritt wird unabhängig von möglichen Abweichungen zur Erreichung der Produktmerkmale des Hybridbauteils ausgeführt. Für den Fall, dass durch das wissensbasierte System Schwachstellen aus dem 3D Faserspritzprozess detektiert werden, erfolgt jedoch eine Anpassung der abzulegenden Towpregstruktur an das individuelle Bauteil zur Kompensation fertigungsinduzierten Steifigkeitsabweichungen. Anschließend erfolgt eine Imprägnierung im Hochdruck-Resin-Transfer-Moulding Prozess, welcher durch individuelle Wahl des Schussgewichtes angepasst wird. Durch den hybriden Designansatz, in Kombination mit der produktfunktionsgeregelten Verfahrensfolge sollen die Stückkosten eines Fahrzeugunterbodens um 50 % reduziert werden.

Im Rahmen der interaktiven Reparaturwerkstatt der Zukunft für CFK-Fahrzeuge wurde eine neuartige Reparaturstrategie für zukünftige Fahrzeuggenerationen entwickelt. Während es derzeit bei Reparaturen im Fahrzeugbereich häufig zum Austausch ganzer Fahrzeugkomponenten kommt bzw. ein hoher manueller Aufwand von speziell ausgebildeten Fachkräften erforderlich ist, wurde im Rahmen des Projekt eine automatisierte sensorbasierte Schadenserkennung und Evaluierung in der Werkstatt genutzt, um anschließend einen individuellen Reparaturpatch zu entwerfen. Der geometrisch individuelle Patch wird in einem formflexiblen Stiftwerkzeug bei einem Dienstleister in Faserverbundbauweise gefertigt und an die Werkstatt als Ersatzteil geliefert. Dort wird der Patch durch eine Schäftung in das Fahrzeug eingebaut und die Instandsetzung abgeschlossen. Neben zahlreichen entwickelten Einzeltechnologien, stellt dieser Ansatz ein Konzept zur Rüstung der die bereits bestehende Werkstattinfrastruktur für die Herausforderungen zukünftiger KFZ-Reparaturen an FVK-Bauteilen dar.

Mit dem Ziel eine inline qualitätsgesicherte und regelbare Fertigung von Luftfahrtbauteilen im RTM-Prozess zu ermöglichen, wurde gemeinsam mit den Firmen Airbus Operations GmbH, Stade, und Fill Gesellschaft m.b.H., Gurten, Österreich, eine neuartige Injektionsanlage entwickelt. Basierend auf Einwegkartuschen ermöglicht die neuartige Injektionseinheit die Fertigung von RTM-Bauteilen unter kontrollierten Bedingungen. Die Injektionseinheit ist mit einer Sensorbox ausgestattet in der neben Temperatur- und Drucksensoren auch ein dielektrischer Sensor verbaut ist. Hierdurch ist unteranderem eine inline Messung des Vernetzungsgrades des Harzes sowie der Viskosität möglich. Während der Vernetzungsgrad für die qualitätsgesicherte Fertigung relevant ist, bietet die Viskositätsmessung das Potential einer integrierten Regelung des Injektionsprozesses.

Die Forschergruppe FOR 860 betrachtet die Fertigung von endlos FVK ganzheitlich vom Roving bis zum endgültigen Bauteil mit der wesentlichen Zielsetzung der Erhöhung der Serientauglichkeit der eingesetzten Fertigungsverfahren. Dabei werden drei Prozessketten erforscht, die alle mit der Herstellung von Faserpreforms beginnen und im einsatzfähigen Bauteil enden. Innerhalb der Forschergruppe wird eine gesamtheitliche Betrachtung der kompletten Wertschöpfungskette vom Roving bis hin zum fertigen Bauteil durchgeführt.

Vor dem Hintergrund eines gesteigerten Mobilitätsbedarfes sowie neuer gesetzlicher Restriktionen stellen alternative Antriebskonzepte eine der Schlüsseltechnologien für die Mobilität der Zukunft dar. Mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen zeichnen sich vor allem durch ihre hohe Flexibilität sowie den möglichen geringen Emissionswerten aus. Hinsichtlich des Versorgungsnetzwerkes und der Kostenstruktur des gesamten Antriebssystems bestehen allerdings noch Nachteile. Das Forschungsvorhaben Delfin hat die Entwicklung einer materialeffizienteren und wirtschaftlicheren Produktionsstrategie für Typ 4-Druckbehälter, die als Speichersystem für Wasserstoff eingesetzt werden, zum Ziel. Der Forschungsschwerpunkt des IKV liegt hierbei auf der Entwicklung einer Methode zur optischen inline-Qualitätskontrolle der Faserablage während des, der Behälterfertigung zugrundeliegenden, Nasswickelprozesses. Hierbei soll durch die Detektion prozessspezifischer Abweichungen, eine Basis für eine Optimierung der simulativen Auslegung der strukturellen Eigenschaften des Druckbehälters geschaffen werden.

Etablierte Verfahren zur Fügung duroplastischer Faserverbundkunststoffe (FVK) mit metallischen Werkstoffen wie beispielsweise Kleb- sowie Schraubverbindungen weisen neben Vorteilen wie hohe erzielbare Fügefestigkeiten auch prozessbedingte Nachteile wie zykluszeitkritische Fügezeiten auf.

Im Rahmen eines gemeinsam mit dem Institut für Schweiß und Fügetechnik durchgeführten Projektes wird daher ein neuartiges Verfahren zur Fügung dieser Werkstoffe mittels eines Widerstandsschweißverfahrens untersucht. Hierbei erfolgt die Anbindung der FVK-Komponente durch integrierte metallische Inserts.

Ziel der Forschungsaktivitäten am IKV ist es dabei, die prozesssichere Fügbarkeit dieser Materialkombination zu gewährleisten. Hierzu wird das Verfahren des Resin Transfer Mouldings modifiziert, sodass eine Integration der Inserts bereits während des FVK-Herstellungsprozess erfolgen kann.

Schlüsseltechnologien für die Mobilität der Zukunft sind die Entwicklung und der Einsatz neuer Leichtbauwerkstoffe. Durch die Integration lastoptimierter Faserverstärkungen sowie weiterer Funktionalisierungsprozesse können bestehende Kunststofflösungen verbessert sowie herkömmliche metallische Lösungen substituiert werden.

Zur kosteneffizienten Serienfertigung funktionsintegrierter sowie lastfallgerechter Composite-Leichtbauteile erarbeitet das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen derzeit gemeinsam mit den Partnern M-Base Engineering + Software GmbH, Aachen, SimpaTec Simulation & Technology Consulting GmbH, Aachen, BYK-Chemie GmbH, Wesel, sowie dem Aachener Zentrum für integrativen Leichtbau der RWTH Aachen (AZL) eine ganzheitliche Methodik zum Einsatz innovativer Hybridwerkstoffe auf Basis von Sheet Moulding Compounds (SMC), Endlosfaserverstärkungen sowie duroplastischer Spritzgießmassen.

Ein aktueller Forschungsschwerpunkt stellen Ansätze zur Metamodellierung des SMC-Fließpressprozesses dar. Vorteile dieser Ansätze liegen insbesondere in der Korrelation nichtlinearer Zusammenhänge, die unter anderem bei der Abbildung des komplexen Zusammenhängen von Prozessgrößen sowie Bauteilverhalten zum Tragen kommen. 

Zur Herstellung besonders komplexer und funktionalisierter Composite-Bauteile werden oft thermoplastische faserverstärkte Kunststoffe (TP-FVK) eingesetzt. Diese lassen sich mittels integrierter Fertigungsverfahren (Umformung und Funktionalisierung im Spritzgießwerkzeug) in besonders kurzen Zykluszeiten verarbeiten. Insbesondere die wirtschaftliche Fertigung von Prototypen oder Kleinserien ist allerdings bisher aufgrund der hohen Werkzeugkosten nicht möglich.

Durch die Kombination der additiven Fertigung (direkte, werkzeuglose Fertigung komplexer Geometrien in kleiner Stückzahl) mit TP-FVK soll diese Lücke geschlossen werden. Mit der am IKV entwickelten extrusionsbasierten Produktionslinie für UD-Tapes können zahlreiche Materialien verarbeitet und endlosfaserverstärkte Halbzeuge im Labormaßstab produziert werden. Durch individuell hergestellte UD-Tape Materialien und daraus aufgebauten lastangepassten Laminate können Halbzeuge mit hohem Leichtbaupotenzial gefertigt und anschließend in einem am IKV entwickelten kombinierte Füge- und Umformprozess mit additiv aufgebauten Funktionsstrukturen wie z.B. Rippen oder Montagevorrichtungen zu einsatzfähigen Bauteilen funktionalisiert werden.

Die zunehmende Diversifikation der Produkte beeinflusst heutzutage mehr denn je die Serienfertigung von technischen Produkten. Der Wunsch der Kunden nach individuell angepassten, funktionsintegrierten Produkten stellt die Hersteller vor Herausforderungen in den Bereichen Produktentwicklung, Prozessflexibilität und Kosteneffizienz. Das maßgeschneiderte Produkt mit minimalem Materialeinsatz ist nur durch die Kombination unterschiedlicher Prozess- und Werkstofftechnologien in Verbindung mit einer vollständig digitalisierten Fertigungszelle umsetzbar.

Diese Leitgedanken wurden in einer am IKV entwickelten Fertigungszelle umgesetzt, indem lokale TP-FVK Verstärkungselemente mit dem Thermoplastschaumspritzgießen kombiniert und in einem Demonstrator Sattelbauteil auf der K-Messe 2016 präsentiert wurden. Der Anwender gibt Größe und Gewicht vor und das maßgeschneiderte Bauteil (Gewicht, Steifigkeit) wird im nächsten Spritzgießzyklus mit entsprechenden Prozesseinstellungen und Materialkombinationen hergestellt. Durch die vollständige digitale Abbildung des Fertigungsprozesses kann der Anwender während der Fertigung die Bauteilqualität auf Basis der Prozessdaten überwachen.

Mit der am IKV exemplarisch entwickelten Fertigungszelle werden neue Möglichkeiten zur Prozesskombination und das Potenzial von digitalisierten Prozessen mit dem Industrie 4.0 Leitgedanken erschlossen und ein weiterer Schritt in Richtung des digitalen Produktionsszenarios getätigt.

Kraftstofftanks werden heute meist aus unverstärkten Kunststoffen hergestellt, die bei hohen Einsatztemperaturen eine schlechte Formstabilität aufweisen, sodass die geforderten Tankeigenschaften nur durch einen entsprechenden Materialeinsatz erreicht werden können. Größeres Umweltbewusstsein in der Bevölkerung und zunehmend strengere Grenzwerte für den CO2-Ausstoß von PKW erfordern die Entwicklung neuer Tankkonzepte mit reduziertem Gewicht. Im NRW-Projekt „LightWeightTankMat“ werden neuartige Werkstoffkonzepte entwickelt, die prozesstechnologisch und simulativ untersucht und schrittweise für die Anwendung in Tanksystemen optimiert werden. Gesamtziel ist es, das Gewicht von Kunststoffkraftstoffbehältern für PKW-Anwendungen signifikant zu reduzieren, indem ein neuartiger Leichtbauwerkstoff auf Basis faserverstärkter Kunststoffe entwickelt wird.

Das IKV ist schwerpunktmäßig für die systematische Werkstoff- und Prozessentwicklung zuständig. Auf Basis der Werkstoffanforderungen werden geeignete Leichtbauwerkstoffe identifiziert und bewertet. Diese Werkstoffanalyse dient dazu, prozesstechnologische Analysen durchzuführen, in denen das Verarbeitungsverhalten der Werkstoffe in drei unterschiedlichen Verarbeitungsprozessen (Spritzgießen, Blasformen, Umformen) anhand von Technologiedemonstratoren analysiert wird. Auf Basis der erzielten Ergebnisse wird entwicklungsbegleitend das Leichtbaupotenzial sowie die Wirtschaftlichkeit der Prozesse analysiert und bewertet.

Im Forschungsprojekt „InPulSE“ kombiniert das IKV seine Kompetenzen aus den Bereichen Extrusion und Faserverstärkte Kunststoffe. In dem integrierten Verfahren wird kontinuierlich ein Hybridprofil gefertigt, das einen hochsteifen, leichten, duroplastischen faserverstärkten Kern mit funktionalen, schweißbaren, optisch und haptisch hochwertigen thermoplastischen Oberflächen verbindet.

Mit der am IKV befindlichen extrusionsbasierten UD-Tape Produktionslinie lassen sich gängige Faser- und Matrixmaterialien (Glas- und Carbonfasern und beispielsweise PP, PA und PP) mit Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/min verarbeiten. Diese Tapes können am IKV mittels des Doppeldiaphragma Verfahrens und des Heizpressenverfahrens zu lastangepassten Laminaten weiterverarbeitet oder direkt in den Spritzgießprozess integriert werden.

Die Forschung am IKV konzentriert sich auf Seiten der Tapeherstellung auf die Prozessbefähigung für neue Materialien sowie die Qualitätssicherung (Faserspreizung, geometrische Toleranzen, Oberflächenrauheit) während des Fertigungsprozesses. Darüber hinaus werden Korrelationen zwischen Prozessparametern und resultierenden morphologischen Eigenschaften sowie definierten morphologischen Eigenschaften und den daraus resultierenden thermomechanischen Eigenschaften der UD-Tapes analysiert.

Im Bereich der Weiterverarbeitung steht vor allem die Drapierung und die zugehörige Prozessmodellierung von tapebasierten Laminaten im Fokus am IKV. Um die praktische Umformung und Drapierung in ein Simulationsmodell zu überführen, werden am IKV Prüfverfahren (z.B. Picture-Frame Test, Cantilever Test) und automatisierte Auswertmethoden entwickelt und genutzt, um eine Materialdatenbasis von Eingangsparametern für die Drapiersimulation zu schaffen. 

Die grundlegende Herausforderung für eine reproduzierbare Fertigung von FVK-Bauteilen in kurzen Zykluszeiten besteht in der genauen Kenntnis und Abstimmung der Materialeigenschaften mit dem Fertigungsprozess. Nur so lassen sich Vorversuche und die damit verbundenen Kosten minimieren. Dabei weisen konventionelle Analysemethoden jedoch teilweise Defizite bei der Analyse hochreaktiver Materialsysteme auf.

Vor diesem Hintergrund stehen am IKV zwei Messzellen zur prozessnahen Bestimmung von Materialdaten zur Verfügung. Dazu gehören zum einen eine Messzelle zur Beschreibung des Schwindungsverhaltens (pvT-Verhalten), die durch eine präzise und vollautomatische Dosierung der vorgeheizten Harzsysteme in die Messkammer kurze Messzyklen von sehr geringen Probemengen ermöglicht. Zum anderen kann über das sogenannte Reaktionsviskosimeter das Fließverhalten (Viskositätsdaten) im Verlauf der Reaktion beschrieben werden. Zur Vermessung hochreaktiver Harze kann die Messzelle direkt über einen Mischkopf befüllt werden.

Die Erweiterung und Optimierung der vorhandenen Messtechnik ist ein wesentlicher Bestandteil der aktuellen Forschung. In diesem Zusammenhang wird pvT-Messzelle dahingehend optimiert, dass Prozesseinflüsse wie Druck und Temperatur deutlich genauer abgebildet werden können. Zusätzlich wird eine Messzelle zur Charakterisierung des Aushärteverhaltens hochreaktiver Harzsysteme entwickelt.

Der Faserspritzprozess mit Hybridgarnen stellt einen material- und kosteneffizienten Herstellungsprozess dar, mit dem aufgrund hoher Austragsraten Großserienbauteile aus thermoplastischen faserverstärkten Kunststoffen für Leichtbauanwendungen hergestellt werden können. Die industrielle Umsetzung des Verfahrens scheitert derzeit jedoch an nicht kontrollierbaren hohen Schwankungen in der Preformqualität. Diese Schwankungen sind auf die für den Faserspritzprozess unzureichenden Hybridgarneigenschaften zurückzuführen.

Daher werden in einer Prozessanalyse am IKV die Einflüsse der Hybridgarneigenschaften auf die Verarbeitbarkeit im Faserspritzprozess identifiziert und quantifiziert. Aufbauend auf der durchgeführten Prozessanalyse werden durch das Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden (IPF) für den Faserspritzprozess optimierte Hybridgarne entwickelt, um Preforms mit gleichbleibend guten Eigenschaften herstellen zu können. Diese Garne werden systematisch in Faserspritzversuchen hinsichtlich Prozessfähigkeit und der erzielbaren mechanischen Eigenschaften untersucht. Um das Potenzial der optimierten Hybridgarne zu demonstrieren, wird zudem ein Demonstratorbauteil hergestellt und untersucht.

Mit den ermittelten Zusammenhängen zwischen Hybridgarneigenschaften und Verarbeitbarkeit sowie den Untersuchungen an den Demonstratorbauteilen sollen neue Hybridgarne entwickelt, bestehende Hybridgarne optimiert und neue Anwendungsfelder für den Faserspritzprozess erschlossen werden.

Die Pultrusion ist eines der bedeutendsten Verfahren in der Herstellung von Faserverbundkunststoffen, da die hergestellten Profile als universelle Halbzeuge für eine Vielzahl von Anwendungen, wie Fensterprofile oder Gurte zur Verstärkung von Rotorblättern, eingesetzt werden können. Obwohl das Verfahren bereits eine hohe Produktivität aufweist, erfordert der internationale Wettbewerb weitere Produktivitätssteigerungen sowie die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten.

Die Erhöhung der Produktivität wird durch den Einsatz hochreaktiver Matrixmaterialien möglich. Die Erhöhung der Produktionsgeschwindigkeit führt zu einer Verdichtung der überlagerten Vorgänge bei der Reaktion im Prozess, sodass ein erhöhtes Prozessverständnis sowie eine adäquate Prozessüberwachung notwendig sind. In diesem Kontext arbeitet das IKV an der Prozess- und Materialentwicklung. Im Fokus steht dabei die Untersuchung der Faserimprägnierung in Injektionsboxen sowie die Prozessoptimierung und -überwachung.

Für praktische Untersuchungen stehen am IKV eine Laborpultrusionsanlage mit umfangreicher Sensorik für Prozessanalysen, Dosiertechnik für unterschiedliche Materialklassen und verschiedene Werkzeuge zur Verfügung.

Daniel Schneider, M.Sc.

Abteilungsleiter Faserverstärkte Kunststoffe und Polyurethane +49 241 80 23884 daniel.schneider@ikv.rwth-aachen.de

Bei allen Fragen rund um die Themen Leichtbau und Faserverstärkte Kunststoffe stehe ich Ihnen gerne zur Verfügung.

Wir entwickeln Lösungen für die Industrie

Für die praktische Durchführung von industriellen Gemeinschafts-forschungsprojekten oder bilateralen Forschungsprojekten steht unser umfassend ausgestattetes FVK-Technikum zur Verfügung. Wir verfügen dort über verschiedene Umform- und Pressanlagen, Formenträger, eine Wickelanlage, eine Pultrusionsanlage, ein PUR-Sprühzentrum, Tapeherstellung. Darüber hinaus steht eine Vielzahl an Formwerkzeugen, Temperiertechnik  und Sensorik zum Einsatz bereit.

Industriekunden bieten wir

  • Charakterisierung von Werkstoff- und Verarbeitungseigenschaften
  • Praktische Erprobung neuer Materialien und Materialkombinationen
  • Industrieberatung zur Technologie- und Prozessoptimierung
  • Gemeinsame Entwicklung neuer Verfahren und Technologien

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