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Compositeherstellung CAE-Prozesskette für das Faserwickeln geschmiedet

| Redakteur: Peter Königsreuther

Die Experten am wbk-Institut des KIT in Karlsruhe haben eine robotergestützte Wickeltechnik für Carbonfasern entwickelt, die das Fügen von Compositeteilen automatisiert und damit günstiger macht.

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Das flexible Fügen durch Faserwickeln bietet wegen der vollständigen CAE-Prozesskette neue Möglichkeiten zur Herstellung von Leichtbau-Hohlprofilen. Ideengeber ist die Bambusfügetechnologie aus Asien, heißt es. Forscher aus Karlsruhe zeigen, was das für Vorteile beim Fügen von GFK- und CFK-Bauteilen haben kann.
Das flexible Fügen durch Faserwickeln bietet wegen der vollständigen CAE-Prozesskette neue Möglichkeiten zur Herstellung von Leichtbau-Hohlprofilen. Ideengeber ist die Bambusfügetechnologie aus Asien, heißt es. Forscher aus Karlsruhe zeigen, was das für Vorteile beim Fügen von GFK- und CFK-Bauteilen haben kann.
(Bild: wbk Institut KIT)

Bambusstäbe werden schon seit Jahrhunderten durch das Umwickeln mit Seilen zu stabilen und leichten Tragwerken verbunden, schicken die Exerten voraus. Am wbk Institut für Produktionstechnik des KIT Karlsruher Institut für Technologie umwickeln heute aber 6-Achs-Roboter Hohlprofile aus Faserverbundwerkstoffen mit Carbonfasern, heißt es weiter. Die Fügemethode des hoch automatisierten Faserwickelns eröffne neue, ressourcen- und geldbeutelschonende Alternativen in Sachen Leichtbau von Fach- und Tragwerkskonstruktionen und für die Mobilität auf Rädern. Die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg präsentiert diese Innovation deshalb im Rahmen ihres monatlichen Thinking für den Februar 2020.

Aus dem Urwald in die Hightech-Landschaft übertragen

Das flexible Fügen durch Faserwickeln bietet wegen der zugrunde liegenden vollständigen CAE-Prozesskette neue Möglichkeiten zur Herstellung von Leichtbau-Hohlprofilen. Die Ideengeberin ist eben die jahrhundertealte Bambusfügemethode aus Asien. Dabei werden Bambusstäbe durch am Knotenpunkt der Profile gekreuzte und gewickelte Seile miteinander verbunden. Genau das macht man auch am wbk, nur automatisch, schneller und prozesssicherer.Hohlprofilfach- oder Tragwerke (Rahmenkonstruktionen) aus hybriden, faserverstärkten Kunststoffen sind bekanntermaßen mechanisch sehr hoch belastbar und gleichzeitig Schlüsselwerkstoffe für den Leichtbau. Das Problem bei der Montage von Leichtbaustrukruten aus CFK ist allerdings, dass die Verbindung zweier in einem Winkel aufeinander treffender Profile nicht so einfach machbar ist, weil keine der bekannten Fügetechniken ohne Einschränkungen die Profile sicher zusammenhalten kann, erklären die Forscher.

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Mit CAE-Prozesskette gezielt zum CFK-Sollprodukt

Bei den Karlsruher Experten umwickeln heute aber 6-Achs-Roboter Hohlprofile aus Faserverbundwerkstoffen mit Carbonfasern statt Bambus. Das Besondere dabei sei nicht nur die Fügetechnologie an sich, sondern die durchgängige Abbildung des Prozesses in einer vollständigen CAE-Prozesskette. Durch eine grafische Benutzeroberfläche lässt sich der Vorgang des Wickelns auslegen, planen und bedienen, sagen die Forscher. Dazu gehört auch die Berechnung des Wickelmuster, die Verbindungen gemäß FEM auszulegen und die Bewegungen des Wickelroboters zu simulieren.

„Die Produktionseinheit ist ein komplexes technisches Gesamtsystem, das als Ganzes bei Endanwendern in der Montage von Profilen zum Einsatz kommen könnte“, erklärt Marius Dackweiler, akademischer Mitarbeiter am wbk-Institut des KIT. Durch einen modularen Aufbau könne die Anlage an verschiedene Aufgabe flexibel angepasst werden.

So spart man auch teure Carbonfasern ein

Außer der lückenlosen CAE-Prozesskette konnte man in den letzten Jahren die Bewegung des Roboters mit der Wickelringrotation synchronisieren, betont das wbk-Institut. Diese Angleichung sorge dafür, dass die realen Wickelbewegungen stets den modellierten Bewegungen entsprächen beziehungsweise bei Abweichungen schnell wieder auf die Sollbewegung geregelt werden könne. Auch wurde die Faservorspannung durch eine drucksensorbasierte Regeleinheit erweitert, damit die Spannung gleichmäßiger eingestellt werden kann, wie es weiter heißt.

„Das Verfahren ist auch besonders ressourceneffizient, weil die Fasern lastpfadgerecht abgelegt werden können und so besonders wenig Material verbraucht wird“, bemerkt Dackweiler zu einen wichtigen Vorteil der neuen Methode. Lastpfadoptimal bedeutet in diesem Fall, dass beim Fügen nur dort Fasern abgelegt werden, wo sie auch zur Tragfähigkeit des Gesamtsystems benötigt werden. Eine echte Alternative gebe es kaum. Dackweiler erklärt das so: „Klassische Fügeverfahren wie Kleben, Schweißen oder Schrauben sind entweder in der Performance schlechter, zerstören die Faserstrukturen oder sind für Faserverbundprofile mit Duromermatrix einfach nicht anwendbar.“

Attraktive Leichtbau-Fügealternative für Auto und Zweirad

Konstruktionen aus Fachwerken haben im Allgemeinen im Verhältnis zu anderen Baumöglichkeiten hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit ein relativ geringes Eigengewicht. Das Fügeverfahren könnte deshalb insbesondere im Bau- und Kranwesen in Zukunft besonders leichte, steife und gleichzeitig günstigere Fachwerkkonstruktionen schaffen. Kranausleger etwa sind bisher meist aus Metallprofilen oder mit aufwendigen, metallischen Knotenelementen entstanden. Diese metallischen Knotenelemente könnten durch lastpfadgerecht gewickelte Fasern ersetzt werden. So kann die Konstruktion aus Leichtbauprofilen mithilfe der Faserwickel-Fügetechnik erheblich leichter konzipiert werden, meinen die wbk-Profis.

Weitere Anwendungen seien im Automobil- und Zweiradbau denkbar, weil räumliche Fachwerke für Fahrgestelle als sogenannte Gitterrahmen dort Standard seien. „Der Charme dieses Fügeverfahrens liegt darin, dass beim Verbinden an den anspruchsvollen Faserverbundprofilen keine Schäden entstehen, wie beim Schweißen oder Schrauben“, betont Dackweiler.

Die Fortschritte der vergangenen beiden Jahre, freut sich der Forscher, ermöglichen jetzt eine vollständige Automatisierung für potenzielle Anwender und markieren einen großen Schritt auf dem Weg zur Serienreife. Schon heute existiert ein voll funktionsfähiger Prototyp, sodass das wbk-Institut nur noch einen Partner für die industrielle Umsetzung braucht. Freiwillige vor!

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