5. Fachtagung Carbon Composites Buntes Informations-Feuerwerk für FVK-Enthusiasten

Autor / Redakteur: Peter Königsreuther / Peter Königsreuther

Fans von Faserverbundwerkstoffen (FVK) kamen kürzlich in Augsburg wieder voll auf ihre Kosten. Das fünfte Mal zeigte sich die Fachtagung Carbon Composites als ergiebige Erkenntnisquelle zu diesem, mittlerweile alle Schlüsselbranchen berührenden Trendthema.

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DAS war einer der absolut beeindruckendsten Hingucker bei der 5. Fachtagung Carbon Composites in Augsburg...viel Spaß beim Entdecken weiterer Highlights dieses Faserverbund-Events...
DAS war einer der absolut beeindruckendsten Hingucker bei der 5. Fachtagung Carbon Composites in Augsburg...viel Spaß beim Entdecken weiterer Highlights dieses Faserverbund-Events...
(Bild: Wengel)

Zum fünften Mal in Folge legte das Veranstalter-Team aus den Eventspezialisten des CC e. V.- und des MM MaschinenMarkt eine echt heiße Fachtagungssohle zum Thema Faserverbundwerkstoffe aufs Parkett. Letzteres befand sich diesmal aber nicht mehr in den zuvor genutzten Räumlichkeiten des Congress-Turmes, sondern erstmals auf dem Augsburger Messegelände, wo großzügigere Räumlichkeiten und bessere Zugangsmöglichkeiten zum Ort des FVK-Geschehens es erlaubten, auch große Exponate den Besucher zu präsentieren.

Einer dieser großformatigeren Eyecatcher war beispielsweise ein komplettes Segelflugzeug des Fachtagungsausstellers DG Flugzeugbau GmbH, in welches man auf FVK-Technik basierende Aktuatoren integriert hat, um so ganz neue Möglichkeiten in Bezug auf das aerodynamische Flugverhalten des Leichtbau-Sportflugzeugs eröffnen zu können.

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In jeder Fluglage am Optimum

Jelmer Wassenaar von DG Flugzeugbau klärte das Auditorium außerdem in seinem Vortrag über diese neue Art der Aerodynamikbeeinflussung bei einem Segelflugzeug näher auf. In der allgemeinen Luftfahrt und speziell bei Segelfliegern gebe es zwar schon lange komplette Strukturen aus leichten Faserverbundwerkstoffen, doch weitere Leistungsverbesserungen könnten nur durch grundlegende Änderungen und Erweiterungen der Flugzeugstruktur erreicht werden. „Aktuatoren, die situationsabhängig für Aerodynamik- anpassungen sorgen können, sind ein wichtiger Baustein zur Flugzeugoptimierung der Zukunft“, betonte Wassenaar. Gemeinsam mit dem Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) aus Kaiserslautern zeigte die DG Flugzeugbau am Beispiel sogenannter verbundwerkstoffintegrierter adaptiver Wirbelerzeuger, auch Turbulatoren genannt, wie sich eine Aktuatorik in ein Hochleistungs-Segelflugzeug implementieren lässt.

Die Funktion sieht dann folgendermaßen aus: Die Wirbelerzeuger werden für den Langsamflug auf der Flügeloberfläche ausgeklappt und vermischen so die schnellere, energiereiche Außenströmung mit der Grenzschicht. So werden langsamere und steilere Anflüge möglich, weil die dafür notwendige Mindestgeschwindigkeit deutlich verringert werden kann, erklärte Wassenaar. Diese Wirbelerzeuger sind außer für mehr Energieeffizienz noch für andere positive Effekte verantwortlich. Denn sie verringern etwa Geräuschemissionen beim Fliegen und machen den Langsamflug generell sicherer, wie es heißt.

Zur Umsetzung der Idee wird ein am IVW entwickeltes „Aktives-Hybrid-Verbundwerkstoff“-Konzept eingesetzt, mit dem man bei minimaler Bauraum- und Gewichtsbelastung für das Flugzeug eine dezentrale Aktorik einsetzen kann. Werkstoffkonform integrierte Elemente aus einer Formgedächtnislegierung können dabei mittels elektrischer Ansteuerung gezielt in sich verformt werden. Dieses Konzept erlaube es auch, sehr flache und dennoch leistungsfähige Turbulatoren zu fertigen, die, flächig integriert, mit Verformungen im einstelligen Prozentbereich bei einer Aktuatorspannung von mehreren Hundert Megapascal, die gewünschten Effekte hervorrufen.

Alles eine Frage der Auslegung

Wie man hochbelastbare Compositebauteile für den Fahrzeugbau optimieren kann, wurde beispielsweise von Daniel Franitza von Voith Engineering Services klargemacht. Sein Beitrag beschäftigte sich im Rahmen des Vortragsblocks „CFK bei OEMs“ mit den aktuellen Herausforderungen bei der Auslegung der relevanten Strukturen, mit Optimierungsstrategien, Sicherheitskonzepten, multiphysikalischen Kopplungen. Dabei wird etwa die rechnerische Nachweisführung mit den Mitteln der FEM sowie theoretischer Bewertungen im Hinblick auf das Bauteilleben beleuchtet. Weil die klassische Laminattheorie bei diesen Betrachtungen an ihre Grenzen stößt, wie Franitza betonte, sind Erweiterungen hinsichtlich Querschub und Quernormalspannungen notwendig, um auch modernere Versagenskriterien für Laminate nutzen zu können. Diese wurden in der Vergangenheit im Sinne des Postprozessings von FEM-Ergebnissen weiterentwickelt, um den Sicherheitsansprüchen an hochbelastete Strukturen genügen zu können.

Franitzas zweiter Schwerpunkt, den er für gleichwichtig erachtete, betraf die praxisgerechte Lastfallermittlung. Vielfach greife man heute, um Zeit und Kosten für Testfahrten zu sparen, auf Mehrkörper- und Strömungssimulationen zurück. Mitunter würden diese direkt mit dem elastischen Strukturmodell gekoppelt, um komplexe Lastverteilungen in die Festigkeitsbeurteilung einfließen zu lassen.

Das Thema „CFK im Maschinenbau“ wurde unter anderen von Benedikt Borchert von der TEC-KNIT CCTT GmbH behandelt, der über die Einsatzmöglichkeiten moderner Garne und Textilien referierte. Sein Unternehmen hat im Rahmen des Spitzenclusters MAI Carbon ein völlig neuartiges und patentiertes, unidirektional verstärktes Halbzeug für FVK namens Carbo-Knit und Glass-Knit entwickelt.

Neuartige Halbzeuge mit Breitenwirkung

Besonders hob Borchert den hohen Uni-Flex dieser Materialien in seinen Ausführungen hervor. Das heißt, sie vereinigen gerichtete und unidirektionale Festigkeiten und sind vor allem in der Breite stark variierbar, erklärte Borchert. Die Kombination von hoher Formstabilität bei hoher Drapierbarkeit sei deshalb einzigartig. Durch leicht zu erreichende Produktabwandlungen könnten zusätzliche Funktionen, wie die Erhöhung der Impact-Resistenz oder Heizeigenschaften direkt in das Halbzeug integriert werden.

Die Möglichkeit, das Textil partiell stark zu spreizen, zum Beispiel wie einen Fächer, um am Ende des Bauteils die Lasteinleitung in angrenzende Bauteile zu optimieren, oder in der Mitte, etwa für die Herstellung eines Bootsrumpfes, ohne die Verstärkungsfasern zu zerschneiden, eröffnet laut Borchert vollkommen neue Perspektiven für Compositeanwender. Zudem könnten die Fasern um ein Loch, zum Beispiel um Nieten oder Bolzen zu integrieren, einfach herumgeführt werden, ohne die Verstärkungs-Rovings zu zerstören. Mittels Materialtestergebnissen sowie Beispielen aus den Bereichen Windenergie, Automobilbau und Luftfahrt, wurde die Leistungsfähigkeit der neuartigen Halbzeuge demonstriert.

Die klassische mechanische Bearbeitung mittels Fräswerkzeugen macht immer noch den Großteil bei Faserverbundstrukturen aus. Wie Zerspaner produktiv arbeiten können, erläuterte Andreas Frank von Hufschmied Zerspanungssysteme. CFK-Anwendungen erfreuen sich einer steigenden Nachfrage. Weil CFK-Bauteile aber meist nicht ohne Nachbearbeitung ihre Endkontur erhalten können, steigt auch die Nachfrage in Sachen wirtschaftlicher Zerspanungsmöglichkeiten, wie Frank berichtete. Vor allem Systeme für das Besäumen und das Bohren sind dabei gesucht. Weil in der Industrie hohe Qualitätsanforderungen bestehen, seien sehr komplexe Werkzeuggeometrien gefordert. Mit polykristallinem Diamant (PKD) stößt der Werkzeughersteller schnell an die Grenzen des Machbaren, wie Frank erläuterte. Spezielle Vollhartmetall-Schaftfräser mit einer CVD-Diamantbeschichtung als Verschleißschutz seien eine mögliche Lösung, um die Standzeiten der Werkzeuge beim Bearbeiten der abrasiven FVK zu erhöhen.

Zerspanungsprozess ganzheitlich im Blick

Das sei aber nur eine Seite der Medaille: Außer der Anwendung unterschiedlichster Beschichtungen und Schneidmaterialien müssten stets auch der gesamte Zerspanungsprozess sowie die Bearbeitungsstrategie im Auge behalten werden. Hufschmied hat das getan und im Hinblick auf Produktivität eine High Speed Cutting-Möglichkeit (HSC) entwickelt. Laut Frank hat sich bei deren Anwendung bewiesen, dass hohe Schnittgeschwindigkeiten zu einer Absenkung der Schnittkräfte und der entstehenden Temperaturniveaus führt. Frank berichtete über ein Forschungsprojekt, in dem der Einfluss der HSC-Strategie mit Vollhartmetall-Fräsern verschiedener Geometrie untersucht und weiterentwickelt wird. Dabei wurde auch verschiedene Beschichtungen unter die Lupe genommen - mit beeindruckenden Ergebnissen, wie Frank betonte.

Elias Staiger vom ITM der TU Dresden zeigte im Rahmen des Praxis-Forums bei der Plenarsitzung 2, wie man Multimaterialverbundteile mittels In-situ-Umformfügen bearbeiten kann. Im Fokus des Vortrags steht die Präsentation einer innovativen Prozesskette zur einstufigen Fertigung von Multimaterialverbundbauteilen für Leichtbauanwendungen aus Metallblech und endlosfaserverstärktem Thermoplast auf textiler Basis. Das Multimaterialdesign erlaubt es, die Vorzüge der metallischen Blechwerkstoffe mit denen der gezielt anisotrop gestaltbaren Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) zu verknüpfen und auszunutzen. Die Vorteile derartiger Bauteile sind vor allem in den gezielt einstellbaren mechanischen und akustischen Eigenschaften bei geringem Gewicht und einer hohen Designfreiheit begründet. Darüber hinaus ist durch die Verwendung von thermoplastischen Matrixmaterialien eine gute Recycelbarkeit gegeben, wie Staiger erklärte.

Mit dieser Fachtagung Carbon Composites, die bisher als singuläres Event firmierte, geht nun eine kleine Ära zu Ende. Denn sie wird 2016 dann im Rahmen der neuen Faserverbundwerkstoff-Messe Experience Composites powered by JEC stattfinden. MM

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