Auf dem Weg zu einer emissionsfreien und nachhaltigen Zukunft tragen Hochleistungs-Faserverbundmaterialien, wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) maßgeblich zu einem effizienten Ressourceneinsatz bei. Durch die erhöhte Festigkeit in Faserrichtung bieten Faserverbundwerkstoffe die Möglichkeit Komponenten auf ihre individuelle Belastung anzupassen, stellen damit aber auch spezielle Anforderungen an die Auslegung und die Flexibilität der Fertigungstechnologien. Zusammen mit der Schütze GmbH erforscht und entwickelt das IFW eine flexible Prozesskette für die Herstellung von maßgeschneiderten CFK-Sandwichstäben. Durch die spezielle Fertigungstechnologie sollen bereits Kleinserien kundenspezifisch und trotzdem wirtschaftlich umgesetzt werden.
Für das automatisierte Tapelegen in der Luft- und Raumfahrt werden vor allem vorimprägnierte Kohlenstofffasertapes (sog. Prepregs) eingesetzt. Ein Derivat der Prepregs sind vorimprägnierte Faserbündel (sog. Towpregs). Sie unterliegen durch den Herstellungsprozess einer höheren Dimensionsvarianz, bieten jedoch gegenüber klassischen PrePregs einen erheblichen Kostenvorteil. Das macht sie vor allem für kostensensitive Anwendungen interessant.
Zusammen mit der Schütze GmbH forscht das IFW im BMWK geförderten Projekt „TowPregRod“ an der Verarbeitung von Towpregs in einem kontinuierlichen Prozess zu CFK-Sandwichstäben. Innerhalb des Projekts betreibt der Projektpartner Schütze die Prozessentwicklung und -erforschung für die Ablage der Towpregs in Stabrichtung. Dadurch erhalten die Stäbe vor allem gute Zug- und Druckeigenschaften. Anschließend wird der unidirektional verstärkte Stab über eine vom IFW entwickelte multi-orbitale Legeeinheit mit Winkellagen versehen. Dazu legen zwei gegensinnig rotierende Orbitalträger mit jeweils bis zu zwölf Ablegeeinheiten die Towpregs auf dem Stab kontinuierlich und vollflächig ab. Die Winkellagen führen vor allem zu einer höheren Torsionssteifigkeit und lassen im Falle einer Medienführung deutlich höhere Innendrücke zu. Durch den modularen Aufbau der im Bild zu sehenden Anlage, kann ein großes Produktspektrum an CFK-Stäben abgedeckt werden. Es können Durchmesser in einem Bereich von 15 – 80 mm und Winkellagen im Bereich von 30° – 85° hergestellt werden. Zudem erlaubt der kontinuierliche Prozess die Herstellung von Stäben mit einer ununterbrochenen Länge von bis zu 30 m.
Durch die hohe Flexibilität der Fertigungstechnologie bieten die einstellbaren Parameter wie Faserorientierung, Durchmesser, Towpreg, Kernmaterial und Stablänge eine Vielzahl an Möglichkeiten um den CFK-Stab ideal auf die jeweilige Anwendung auszulegen. Damit trägt das Projekt vor allem auch zu einer Erweiterung des Einsatzgebietes von CFK-Sandwichstäben bei.
Derzeit befindet sich das Projekt am IFW und bei der Firma Schütze in der Inbetriebnahme der Einzelsysteme, gefolgt von der Prozessentwicklung und -erforschung der Einzelprozesse. Mitte des Jahres 2024 sollen die beiden Prozesse dann in einen Gesamtprozess überführt und gemeinsam in ihrer Produktionsumgebung erforscht werden.
Wir bedanken uns für die im Rahmen des sechsten zivilen Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo VI) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) zur Verfügung gestellten Mittel, sowie die gute Zusammenarbeit mit der Schütze GmbH.
Kontakt:
Für weitere Informationen steht Ihnen Marco Bogenschütz, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover, unter Telefon +49 (0) 4141 - 77638 – 25 oder per E-Mail unter [email protected] gerne zur Verfügung.
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