Maßgeschneiderte Hybridgarne Bessere Alternative zu Organoblechen

Sollen Composite-Bauteile wirtschaftlich gefertigt werden, sind drei Faktoren zu optimieren: Fertigungskosten, Zykluszeit und Werkstoffverbrauch. Der Ansatz dazu liegt in der endkonturnahen Bauteilfertigung. Basis dafür sind maßgeschneiderte thermoplastische textile Hybridpreforms, die im Vergleich zu Organoblechen eine fasergerechtere Bauteiloptimierung und einen sparsameren Werkstoffverbrauch ermöglichen.

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Faserinstitut Bremen e.V.

Auf der Fachtagung Carbon Composites 2011 erläutert Dipl.-Ing. Christian Peters, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Faserinstitut Bremen, wie sich daraus thermoplastische Composite-Bauteile endkonturnah fertigen lassen, ohne den Schritt über Organobleche zu gehen. Bei Leichtbauanwendungen spielen thermoplastische Faserverbundwerkstoffe auf Basis drapierfähiger Gewebe eine immer wichtigere Rolle.

So liefert das Thermoformen aufgrund der kurzen Zykluszeiten im Minutentakt faserverstärkte Bauteile mit ausgezeichneter Laminatqualität. In der Luftfahrttechnik besteht daher ein wachsender Bedarf an automatisierten Thermoformverfahren für hohe Stückzahlen.

Grund dafür ist die zunehmende Substitution von Metallteilen. Außerdem bietet das Thermoformen Vorteile im Hinblick auf die Energie- und Kosteneffizienz im Rahmen einer Großserienfertigung. „Der Anteil an thermoplastischen faserverstärkten Bauteilen wird sich beim Airbus A350 XWB massiv verstärken, insbesondere für strukturtragende Bauteile im Flugzeugrumpf“, ist Peters überzeugt.

Herstellung belastungsgerechter, verschnittarmer Preforms

Forschungsziel des Faserinstituts Bremen ist die Entwicklung einer Prozesskette zur Herstellung belastungsgerechter, verschnittarmer Preforms. Bei der Faserkombination ist jede Werkstoffauswahl zwischen Verstärkungsfaser und Thermoplastfaser möglich. Die Thermoplastfasern, die aus demselben Kunststoff wie die Matrix bestehen, werden am Institut direkt im Schmelzspinnverfahren hergestellt. Je nach Kundenwunsch und Anwendung kann die Faserfeinheit, der Faserschrumpf und der Anteil an Faserschlichte eingestellt werden.

Die Hybridpreforms aus Verstärkungs- und Thermoplastfasern werden anschließend im modifizierten TFP-Verfahren erzeugt (Tailored Fibre Placement). Dabei werden die Verstärkungsfasern gemeinsam mit den thermoplastischen Fasern kontinuierlich abgelegt – in Abhängigkeit der Beanspruchungsrichtungen im späteren Composite-Bauteil. Während dieses Prozesses wird bereits der spätere Faservolumengehalt für den konsolidierten Zustand über die Feinheit der verwendeten Garne eingestellt.

Trockene Prefoms begünstigen dreidimensionales Umformen

Die so hergestellten, gut handhabbaren Preforms werden im Thermoformverfahren umgeformt und konsolidiert. Anschließend können sie auf einer Spritzgießmaschine mit dem themoplastischen Matrixwerkstoff noch umspritzt werden. „Das dreidimensionale Umformen wird im Vergleich zu Organoblechen durch die trockene Textilstruktur begünstigt“, erläutert der Wissenschaftler. „Die einzelnen Faserlagen können besser aufeinander gleiten.“ Das verhindere Faserwelligkeit und Faltenbildung. Werden homoge durchmischte Hybridgarne zur Preformfertigung verwendet, hält Peters Konsolidierungszeiten von 5 min für realisierbar.

„Aufgrund der Verarbeitung trockener, nicht vorkonsolidierter thermoplastischer Hybridpreforms wird eine Kostenreduzierung auf der Werkstoff- und Prozessseite erreicht im Vergleich zu vorkonsolidierten Organoblechen“, resümiert Peters. Das schaffe die Voraussetzungen, um wirtschaftliche Anforderungen in der Luftfahrttechnik, im Automobil- und Maschinenbau zu genügen.

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