Institut für Textiltechnik ITA der RWTH Aachen Laserstrahl und textiles Know-how heben Hochleistungs-Composites aus der Taufe

Autor / Redakteur: Sebastian Oppitz, Boris Manin, Santino Wist und Thomas Gries / Peter Königsreuther

Der Weg zu leichteren Fahrzeugen und Systemen, um Energie und fossile Brennstoffe zu schonen, führt zum Materialmix aus Metallen und Faserverbundbauteilen. Damit die neuen Bauteile erfolgreich einsetzbar sind, müssen adäquate Fügetechniken und produktive Fertigungsmethoden gefunden werden. Ein Forscherteam aus Aachen arbeitet mit Elan daran.

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(Bild: ITA)

Der Bedarf an Bauteilen aus Faserverbundkunststoffen (FVK) steigt aufgrund der wachsenden Bedeutung von Energie- und Ressourceneffizienz bei einer gleichzeitigen Forderung nach steigender Bauteilperformance stetig an [1, 2, 3]. Für die Fertigungstechnik bedeutet dies, dass vor allem Prozessketten vereinfacht und trotz hoher Geometrievielfalt die Kosten reduziert werden müssen.

Aufgrund des hohen Leichtbaupotentials wächst simultan auch der Bedarf an FVK-Bauteilen für „Multi-Material-Design“ Anwendungen. Das Konzept des Multi-Material-Design spielt vor allem bei der Erschließung neuer Leichtbaupotenziale bei der Entwicklung zukünftiger Fahrzeuggenerationen eine zentrale Rolle. Hinter dem Begriff verbirgt sich der Ansatz werkstofflich, konstruktiv und fertigungstechnisch Material geeignet zu kombinieren. [4] Um Vorteile dieser Materialmischbauweise ausnutzen zu können, müssen vor allem Herausforderungen im Bereich der Verbindungstechnologien bewältigt werden [5, 6, 7]. Die Realisierung lösbarer, flexibler und genormter Schnittstellen ist eine Voraussetzung für die Substitution bestehender Bauteile durch Faserverbundelemente. Realisiert werden diese Schnittstellen durch metallische Funktionselemente (zum Beispiel Inserts mit Innen- oder Außengewinden), die bei derartigen Bauweisen ein Bindeglied zwischen den konventionellen und den FVK-Bauteilen darstellen [4, 8, 9].

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Laserabtragsprozess hat keinen Werkzeugverschleiß

Die Herstellung der Preforms stellt, zusammen mit dem Material, den Hauptkostentreiber zur Fertigung von FVK-Bauteilen dar (gemeinsam sind das bis zu 70 % der Bauteilkosten) [10]. Aktuell ist die Herstellung von FVK-Bauteilen, vor allem bei kleinen und mittelständigen Unternehmen, durch einen hohen Anteil manueller Arbeit geprägt. Dies kann zu einer hohen Fehleranfälligkeit des gesamten Produktionsprozesses sowie zu Qualitätsschwankungen bei der Herstellung führen. Folgen sind hohe Ausschüsse in Form von textilem Verschnitt (bis zu 50 %) und fehlerhaften, bereits ausgehärteten Bauteilen.

Gegenwärtig werden Funktionselemente durch eine aufwändige mechanische Nachbearbeitung des harten Bauteils integriert. [10, 11] Aufgrund der hoch abrasiven Materialeigenschaften ist die mechanische Nachbearbeitung ausgehärteter FVK-Bauteile mit Werzeugkontakt (zum Beispiel Bohren oder Fräsen) zeit- und kostenintensiv (bis zu 20 % der Bauteilkosten). Eine automatisierte Integration der Funktionselemente vor der Konsolidierung (Aushärtung) in dreidimensionale textile Preforms scheiterte bis jetzt an defizitären Verfahren, mit denen Aussparungen flexibel sowie mit großer Präzision in den mehrlagigen textilen Preform eingebracht werden können.

Als Alternative zu den mechanischen Bearbeitungsverfahren bietet das Laserabtragen die Vorteile, das kein Werkzeugverschleiß stattfindet, einer hohen Flexibilität und höchster Präzision im Mikrometerbereich. Insbesondere Ultrakurzpulslaser erlauben hier im Vergleich zu konventionellen Lasern eine schonende Bearbeitung mit minimalem Energieeintrag und gesteigerter Präzsion [12, 13, 14, 15].

Innovatives Trio aus CNC-Zuschnitt, Laserbearbeitung und automatischem Handling

Seit März dieses Jahres wird den beschreibenden Herausforderungen durch das Carbolase-Projekt begegnet. Die Kerninnovation dabei ist die Kombination aus produktiven 2D-CNC-Zuschnitt, einer hochpräzisen Lasermaterialbearbeitung der textilen Preforms mittels ultrakurz gepulster (UKP) Laserstrahlung und ein vollautomatisches Handling einzelner Preforms mit integrierten metallischen Inserts. Passgenaue Aussparungen werden per Laser in Preforms eingebracht und Funktionselemente (Inserts) automatisiert integriert. Die Technologien werden in eine Roboterzelle integriert: Mittels flexibler Software-/Hardwareschnittstellen sowie Sensorik im Produktionsprozess wird ein hochflexibles, hybrides Produktionssystem geschaffen. Die Vernetzung der Teilschritte im Preforming (Zuschnitt, Stapeln, Fügen und Umformen), Laserstrahl-Bohren und Integration der Funktionselemente sowie die dazwischenliegenden Handlingprozesse werden automatisiert mit hoher Reproduzierbarkeit durchgeführt.

Ein Kernbestandteil der Prozesskette ist auch die Realisierung eines flexiblen Werkzeuges, welches das Umformen, das thermisches aktivieren von polymeren Binderpulvern zwischen den textilen Lagenpaketen, die Lasermaterialbearbeitung zur Einbringung der Aussparungen sowie die Integration von Inserts auf einer Station ermöglicht. Eine Herausforderung besteht hier in der Trennung erforderlicher Luftströme zum:

  • Erhitzen der Preforms zum Schmelzen der polymeren Binder zwischen den Einzellagen während des Umformens;
  • Kühlen der Preforms nach erfolgter Umformung;
  • Abführen von Gasen und Partikeln, die während der Lasermaterialbearbeitung entstehen.

Der letzte Luftstrom muss zwingend separat abgeführt und unmittelbar gefiltert werden, weil die zum Teil gesundheitsschädlichen Carbonfaserpartikel die Mitarbeiter gefährden und durch ihre elektrische Leitfähigkeit Elektronikbauteile kurzschließen. Um diese Aufgaben, die nach dem Stand der Technik, in separaten Stationen durchgeführt werden, in einem Schritt zu vereinen, wurden unterschiedliche Konzepte erarbeitet und bewertet. Bild 4 demonstriert das identifizierte Lösungskonzept. Dieses wird aktuell am ITA-Preformcenter umgesetzt.

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Starke Partner für den wirtschaftlichen Materialmix

Im Rahmen des Carbolase-Projekts arbeiten Industrie und Forschung eng zusammen. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT erarbeitet zusammen mit der Amphos GmbH lasertechnische Aufgaben im Projektkontext. Die Lunovu GmbH begleiten als Systemintegrator die Vernetzung einzelner Prozessschritte und realisieret die Integration von Sensorik in die Roboterzelle am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University ITA. Die Kohlhage Fasteners GmbH & Co. KG erarbeitet die automatisierte Bereitstellung und Integration von Funktionselementen (Inserts). Das ITA übernimmt die Umsetzung der automatisierten Prozesskette zur Herstellung der per Laserstrahl bearbeiteten Preforms in enger Zusammenarbeit mit allen Projektpartnern.

Wir danken OP EFRE.NRW 2014-2020 „Operationelle Programm Nordrhein-Westfalens für die Förderung von Investitionen in Wachstum und Beschäftigung aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung“ und der Europäischen Union für die Förderung dieses Projektes. MM

Literatur

[1] AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e.V. Hrsg.:

Composites Marktbericht 2013, Marktentwicklungen, Trends, Ausblicke und Herausforderungen Frankfurt am Main, Industrievereinigung verstärkte Kunststoffe e.V., 2013

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

[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] Schievenbusch, F.: Beitrag zu hochbelasteten Krafteinleitungselementen für Faserverbund-bauteile Technischen Universität Chemnitz Dissertation 2003, Zugl. Chemnitz, Technische Universität Chemnitz Kompetenzzentrum Verlag, 2004

[5] Multi-Material-Design als Zukunft des systematischen Leichtbaus, Maschinenmarkt, 2011

[6] W. Hufenbach: Neue Materialien - Chancen für den Leichtbau, 3. ACOD-Kongress, Leipzig, 2010

[7] P. Trechow: Leichtbau wird Materialmix des Automobils massiv verändern VDI Nachrichten, 2012

[8] Nestler, D.: Verbundwerkstoffe – Werkstoffverbunde Status quo und Forschungsansätze Technischen Universität Chemnitz Habilitationsschrift 2013, Zugl. Chemnitz

[9] Klingele, J.: Produktorientierte Auswahl von Verfahren zur Vorfixierung textiler Preforms RWTH-Aachen Dissertation 2014, Zugl. Aachen, Shaker-Verlag, 2014

[10] FOREL-Projektstart für automatisierte Herstellung von komplexen FKV-Bauteilen für Elektrofahrzeug lightweight-design, 2015

[11] Hopmann, C.; Fecher, M.; Linnemann, L.; Bastian, R.; Gries, T.;Schnabel, A.; Greb, C.: Vergleich der Eigenschaften von Onserts und Inserts für eine Großserien-fertigung von FVK-Strukturbauteilen Artikel, Zeitschrift Kunststofftechnik 9. Auflage (2013), Carl Hanser Ver-lag, München, 2013, S. 178-206

[12] Janssen, S.; Reinelt, R.; Kelbassa, I.; Oppitz, S.3; Cetin, M.: Comparison Between ps- and μs-Laser Radiation for Drilling Holes for Force Transmission Elements in CFRP-Preforms October 2015 Proceedings of ICALEO 2015, Atlanta, U.S.A.

[13] Cetin, M.; Oppitz, S.; Janssen, S; Gries, T.: High precise cutting of carbon- and glass fiber using laser technology Abstract Book / International Conference on Advances in Composite Materials and Structures (CACMS 2015), 13-15 April 2015, Istanbul. - Istanbul: Istanbul Teknik Üniversitesi, 2015, S. 120

[14] Cetin, M.; Gries, T.: Einsatz von Lasertechnologie zur Integration von komplexen Verbindungselementen in FVK-Strukturen Mitgliederversammlung car e.v., Aachen 20.04.2015

[15] S. Oppitz, T. Gries: Laser optimiert Applikation von Inserts in Composites MM Maschinenmarkt, Ausgabe 49, 2016

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