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Composites Alternative Methode integriert Inserts in Preforms wirtschaftlicher

| Autor/ Redakteur: Max Schwab und Thomas Gries / Peter Königsreuther

Metallische Inserts sind für das Fügen von Faserverbund-Werkstoffen mit anderen Bauteilen unerlässlich. Das Einbringen derselben hat aber Schwächen. Forscher gehen mit einer textilen Insert-Integration jetzt dagegen an.

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Prinzip der Prozesskette im Rahmen der Integration von Inserts beim TFP-Verfahren.
Prinzip der Prozesskette im Rahmen der Integration von Inserts beim TFP-Verfahren.
(Bild: RWTH Aachen)

Komplexe Bauteile aus Faserverbundkunststoffen (FVK) werden bei kleinen bis mittleren Größen (< 1 m²) aktuell durch mehrstufige Prozesse auf Basis von trockenen, textilen Vorformlingen (Preforms) oder aus vorimprägnierten Halbzeugen (Prepregs) hergestellt. Außer viel manueller Arbeit fällt dabei ein Faserverschnitt von bis zu 40 % an [1]. Weil die Materialkosten mit rund 30 % einen hohen Anteil an den Fertigungskosten haben, trägt der hohe Verschnitt zu den hohen Herstellkosten bei. Die Verschnittmenge beeinflusst damit die Kostenstruktur bei der Herstellung von FVK-Bauteilen [2, 3, 4].

Die Lösung für die typischen Probleme bei der Insertintegration

Deshalb kommt für die kraftflussgerechte, endkonturnahe und effiziente Ablage das Tailored Fibre Placement (TFP) zum Einsatz, das in Deutschland von KMU genutzt wird, die aus dem klassischen Stickbereich kommen. In der Automobilindustrie ist das Potenzial des TFP-Verfahrens bekannt, weil Verschnittraten von deutlich unter 20 % möglich sind und die Möglichkeit zur Funktionalisierung, etwa durch Inserts für Multimaterialbauweisen, besteht [1]. Der Materialmix erobert vor allem den Automobilsektor. Dazu werden lösbare Verbindungen (On- oder Inserts) als Schnittstellen im Werkstoffverbund (FVK + Metall) benötigt. Derzeit werden Inserts aber entweder auf das konsolidierte Bauteil aufgeklebt oder das Teil muss dafür Bohrungen zur Integration erhalten. Aufgeklebte Inserts limitieren aber die Klebefläche. Und das Einkleben derselben in Bohrungen treibt die Werkzeugkosten durch Verschleiß hoch [5]. Auch werden Verstärkungsfasern durchtrennt, weswegen das schonende TFP-Verfahren werkstoffgerechter ist. Durch das Einbringen der Inserts in den trockenen, textilen Preform und eine gemeinsame Infiltrierung und Aushärtung würden Prozessschritte wegfallen. Kleben oder Bohren wären hinfällig.

Die Idee basiert darauf, die Inserts auf dem Trägertextil respektive auf dem gestickten Preform durch den Stickfaden zu fixieren. Beim Lagenaufbau wird der Insert nicht nur unter den Roving-Lagen integriert, sondern durch zusätzliches Umschlaufen verankert.

Präzise Insertablage per Sticksoftware und Applikator

Der Lösungsansatz ist ein Applikator, durch den die Inserts automatisiert und präzise während des TFP-Verfahrens abgelegt werden können. Zusätzlich werden dabei die Inbetriebnahme, sowie die Integration des Insert-Applikators an den TFP-Stickautomat vorgenommen. Vielmehr ermöglicht die Programmierung der präzisen Insertablage per Sticksoftware die einfache Handhabung.

Es werden Inserts entwickelt, die an den Prozess- und das Material angepasst sind. Der Produktionsprozess geschieht im Pilotmaßstab, wofür der Applikator an einem Demonstratorteil validiert wird. Der Fokus liegt dabei auf der Identifizierung der Wirkzusammenhänge zwischen den Inserts, dem TFP-Preforming und der Konsolidierung ausgewählter Fasermaterialien. Eine Herausforderung ist die präzise und automatisierte Insert-Ablage und -fixierung zur Reduktion von Prozessschritten, -zeiten und letztlich von Preforming-Kosten.

Außer dem Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen University ist die Hollmann GmbH maßgeblich am Projekt beteiligt. Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) für die finanzielle Förderung des Projekts „TFPInsert“ im Rahmen des Förderprogrammes ZIM-Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand. MM

Literatur

[1] Deinzer, G.; Diebold, F.: Faserverbundkunststoffe im neuen Audi R8 : von der Differential- zur Integral-Bauweise. In: Reden, T. v. (Hrsg.): MAI Carbon. Augsburg: MAI Carbon Cluster Management GmbH, 2016.

[2] AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e.V. Hrsg.: Composites-Marktbericht 2016 Marktentwicklungen, Trends, Ausblicke und Herausforderungen Frankfurt am Main, Industrievereinigung verstärkte Kunststoffe e.V., 2016.

[3] Bauer, T.; Schmid, N.; Seeliger, W.: Wertschöpfungspotenziale im Leichtbau und deren Bedeutung für Baden-Württemberg. Eine Studie im Auftrag der Leichtbau BW GmbH. Koordination Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, Stuttgart, 2014.

[4] Lässig R.; Eisenhut, M.; Mathias, A.; Schulte, R.; Peters. F.; Kühmann, T.; Waldemann, W.; Begemann, W.: Serienproduktion von hochfesten Faserverbundbauteilen, Studie, Roland Berger Strategy Consultants, 2012.

[5] Lauter, C.; Tröster, T.; Sköck-Hartmann, B.; Gries, T.; Linke, M.: Höchstfeste Multimaterialsysteme aus Stahl und Faserverbundkunststoffen, Artikel, Konstruktion 11-12 (2010), S. 8-9.

* Univ.-Prof. Prof. h. c. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Thomas Gries ist Institutsleiter und Lehrstuhlinhaber des Instituts für Textiltechnik der RWTH Aachen University in 52074 Aachen. Max Schwab M. Sc. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsgruppe „Composite Production Technologies“ ebenda. Tel. (02 41) 80-2 34 00, www.ita.rwth-aachen.de

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