CFK-Handhabungsgerät macht das Leben leichter

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Die Fertigungstechnik beeinflusst die Bauteileigenschaften

Die hohen Ansprüche an die Sicherheit mussten zusätzlich mit dem Ziel, eine möglichst leichte Struktur bei gleichzeitiger Serientauglichkeit des Fertigungsverfahrens zu schaffen, in Einklang gebracht werden. Dessen waren sich alle Beteiligten bewusst. Da bei Faserverbundbauteilen der Werkstoff im Prinzip erst während der Teilherstellung entsteht, beeinflusst die verwendete Fertigungstechnik maßgeblich die mechanischen Eigenschaften der Komponente. Aus diesem Grund wurden in einer Vorstudie zunächst verschiedene Produktionsverfahren im Hinblick auf die Eignung für das angestrebte Produkt bewertet. Allein das Flechtverfahren konnte alle Bewertungskriterien nach Soll erfüllen und wurde als die passende Fertigungstechnik ausgewählt. Insbesondere von der guten Schadenstoleranz der Geflechtstruktur im Vergleich zu anderen Halbzeugen erhofften sich die Ingenieure aus Stuttgart Vorteile für den späteren Betrieb des Handhabungsgeräts.

Beim Einsatz der Flechttechnik wird ein sogenanntes Kernwerkzeug, das in das Backenfutter eines Industrieroboters eingespannt ist, durch das Zentrum einer ringförmigen Flechtmaschine geführt. Spulenhalter mit C-Faser-Rovings verlaufen entlang des Umfangs der Flechtmaschine und werden strahlenförmig ins Zentrum der Maschine gezogen. Dort entsteht auf diese Weise ein Geflechtschlauch, der sich wie ein Strumpf um dem Kern legt. Aufgrund dieser textilartigen Struktur eignet sich der Flechtprozess besonders zur Herstellung schlauchförmiger Hohlkörper mit variablen Querschnitten; genau so, wie es beim Handhabungsgerät auch der Fall ist. Durch gezielte Steuerung des Robotervorschubs während des Flechtvorgangs lassen sich etwa der Faserwinkel und somit die Materialeigenschaften des Schlauchs gezielt an das mechanische Anforderungsprofil anpassen. Zusätzliches Leichtbaupotenzial kann durch die beliebig durchführbare lokale Platzierung von Fasern in axialer Richtung – sogenannte Stehfäden – ausgeschöpft werden, um die Biegesteifigkeit des Bauteils noch weiter zu erhöhen.

Deutschlands größte Flechtanlage führte zum Erfolg

Am IFB können gleich zwei dieser Flechtmaschinen mit 64 und 176 Spulenhaltern, die auf einem Ring von 2 m beziehungsweise 4 m Durchmesser angeordnet sind, genutzt werden. Für das Handhabungsgerät kam aufgrund der Bauteildimension aber nur die größere der beiden Maschinen zum Einsatz; sie ist in Deutschland übrigens einmalig. Die Vorteile des Flechtens wurden über den Leitsatz „Form Follows Production“ in eine Querschnittformgebung der Auslegerarme übertragen. Dadurch, dass die beiden Auslegerarme in verschiedenen Positionen – angewinkelt oder gerade ausgestreckt – angeordnet sein können, entstehen unterschiedliche Belastungszustände zwischen einer reinen Biege- und einer Biege-Torsions-Beanspruchung. Um jedoch in beiden Positionen die gleiche Verkippung der Mittelachse zu gewährleisten, muss sich bei vorgegebenem Schubmodul und E-Modul des CFK-Materials die Querschnittsform im Träger einem bestimmten Verhältnis von Höhe zu Breite annähern.

Das CFK-Bauteil erreicht eine sehr gute Schadenstoleranz

Außer der Formgebung ist die Definition der Faserorientierung ein entscheidender Schritt bei der sachgerechten Entwicklung eines Compositebauteils. Die intelligente Verbindung von Design, Prozessparametern und Sicherheit zu einem „Leichtgewicht“ übernahm eine Statikerin. Das Resultat ist ein CFK-Produkt mit optimalem ergonomischen Verhalten, das auch noch über ein Drittel weniger wiegt als sein Pendant aus Stahl.

Eine wesentliche Forderung neben dem gewünschten Strukturverhalten ist die sogenannte Schadenstoleranz des Bauteils, die sich auf die Funktionsfähigkeit nach einer Beschädigung bezieht. Schlagbelastungen führen etwa bei Faserverbundbauteilen zu Schäden, die zum Teil nicht sichtbar sind aber im Laufe der Betriebszeit zu spontanem Versagen führen können. Um das möglichst weitgehend zu vermeiden, wurden während der Bauteilentwicklung entsprechend der Luftfahrtsystematik umfassende Tests durchgeführt, damit die Sicherheit der Struktur in allen kritischen Situationen gewährleistet werden kann. Diese Prüfungen schlossen auch die Vorschädigung der Struktur mit Schlaglasten und ihre anschließende mechanische Beurteilung mit ein. Das CFK-Handhabungsgerät bestand alle Tests und übertraf dabei sogar die Erwartungen der Experten. Im Prinzip ist diese Struktur sozusagen flugfähig, wenn man es mit einem Augenzwinkern betrachtet, und kann als sehr sicher gegen Versagen eingestuft werden.

Neben allen erwähnten technischen Aspekten sind natürlich auch die Herstellungskosten des Handhabungsgerätes von hoher Relevanz für dessen geplanten Vertrieb. Durch die Wahl der Flechttechnik in Kombination mit einem RTM-Injektionsverfahren konnte ein wirtschaftlich tragfähiger Fertigungsprozess gefunden werden, mit dem das Gerät in Serie produziert werden kann. Die bereits hohe Akzeptanz am Markt beweist: Leichtbau mit Faserverbundwerkstoffen ist heute keine teure Exklusivlösung für den Einsatz in der Luftfahrt oder dem Automobilbau, sondern - intelligent eingesetzt - auch eine wirtschaftlich und technisch sinnvolle Alternative für Strukturbauteile aller Art. ■

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