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Kostengünstige Faserverbundstrukturen - eine Frage neuer Produktionsansätze

Prof. Dr.-Ing. A. S. Herrmann, DLR, Institut für Strukturmechanik, Lilienthalplatz 7, 38108 Braunschweig,[email protected], 3. AVK-TV Tagung Baden-Baden

A. S. HerrmannA. PabschM. Kleineberg

Kostengünstige Faserverbund-strukturen-eine Frage neuer Produktionsan-sätze

Cost-Effective Composite-Structures- A question of new production ap-proaches

Charakterisierung des Referats

Das neue Herstellungskonzept basiert auf derNasstechnologie und besteht aus den Kom-ponenten "Textiltechnik", "Strukturelle Näh-technik" und Injektionstechnik.

Characterization of the paper

The new production procedure is based onthe wet technology and consists of the com-ponents "textile technique", "structural stitch-ing technique" and injection technique.

- 2 - Kostengünstige Faserverbundstrukturen - eine Frage neuer Produktionsansätze

Herrmann

Kostengünstige Faserverbundstrukturen - eine Frage neuer Produk-tionsansätze

Neue Fertigungstechnologien auf Basis von Harzinjektionsverfahren, Preformtechnikenund Nähtechniken werden vorgestellt und zu einer Produktionstechnik verbunden. An-gestrebt wird eine Gewichtsreduzierung von 30 % und eine Kostenreduzierung um 40% gegenüber metallischen Leichtbaustrukturen. Faserverbundwerkstoffe werden nurdann eine breite Anwendung im Bereich Schienenfahrzeugbau, Automobilbau und Ma-schinenbau erreichen können, wenn der realisierte Leichtbau durch neue Herstellungs-konzepte erlösfähig ist.

Cost-Effective Composite-Structures-A question of new production approaches

Production procedures on the basis of injection molding procedure, textile techniquesand stitching techniques are presented and are combined to a fabrication technology.The target set by aeronautical industry is a weight reduction of 30% and a cost reduc-tion of 40% compared to metallic light - weight structures. Composites will only be ableto achieve general acceptance in the field of rail, automobile manufacture and machinebuilding if the implemented lightweight construction is profitable through new productionconcepts.

Kostengünstige Faserverbundstrukturen - eine Frage neuer Produktionsansätze - 3 -

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1. Einleitung

Aus ökonomischen und ökologischen Grün-den ist insbesondere in der Verkehrstechnikder Leichtbau unumgänglich. Das Leichtbau-potential der Faserverbundwerkstoffe übertrifftdas der metallischen Werkstoffe weit, sowohlhinsichtlich der Festigkeit und Steifigkeit alsauch des Energieaufnahmevermögens, derDämpfung und Schwingfestigkeit [1].

Das Potenzial der Faserverbunde kann jedochnur voll ausgenutzt werden, wenn die Fasernbelastungsgerecht, entsprechend derHauptspannungstrajektoren, im Bauteil orien-tiert sind. Weiterhin ist für gewichtsoptimierteHochleistungsverbunde ein hoher gleichmäßi-ger Faservolumengehalt von ca. 60 % inKombination mit weitest gehender Porenfrei-heit von wesentlicher Bedeutung.

Der derzeit noch sehr beschränkte Einsatzvon Faserverbundwerkstoffen in der Ver-kehrstechnik ist unter anderem darauf zurück-zuführen, dass keine kostengünstigen Pro-duktionsverfahren für Hochleistungsfaserver-bunde verfügbar sind.

Die in der Luftfahrt etablierten Prozesstechni-ken – vor allem die Prepreg/Autoklavtechnik[2] - sind handarbeitsintensiv, zeitaufwendigund nur bedingt automatisierbar und erfordernteure Halbzeugmaterialien. Die wenigen Ferti-gungsverfahren höherer Produktivität – wie z.B. das Wickel- [3] oder Pultrusionsverfahren[4] - sind nur für geometrisch einfache Bau-teile geeignet, wodurch das Anwendungs-spektrum sehr eingeschränkt wird.

Großserienverfahren – wie SMC, GMT oderLFT [5] - nutzen aufgrund der nicht oder nurbedingt realisierbaren Anforderungen an dieOrientierung der Fasern und Faservolumen-gehalte nicht das Potenzial der Faserver-bundwerkstoffe und bleiben auf semi-strukturelle Anwendungen beschränkt.

Die technologische Herausforderung bestehtsomit darin, rationelle, kostengünstige undautomatisierbare Produktionsverfahren fürHochleistungsfaserverbunde, also Laminatehoher Qualität mit gezielter Orientierung vonLang- / Endlosfasern, zu entwickeln.

2. Produktionsansätze für ver-schiedene Fertigungstypen

Der Fertigungstyp richtet sich im allgemeinennach dem herzustellenden Produktionspro-gramm und der Art der Leistungswiederho-lung. Nach [6] werden folgende Fertigungsty-pen unterschieden:

- Einmalfertigung,- Wiederholfertigung,- Variantenfertigung,- Serienfertigung,- Massenfertigung.

Die Abgrenzung der Fertigungstypen solltejedoch nicht nur unter Zugrundlegung der ge-fertigten Stückzahlen vorgenommen werden.Hierbei sind noch eine Vielzahl anderer Kenn-zeichen (wie z.B. Auftragsfertigung, losweiseFertigung) maßgebend (siehe Tab. 1).

Stück-zahlcha-rakter

Ferti-gungstyp

Kennzeichen

Einzel-ferti-gung

Einmalfer-tigung

• Erzeugnisse werden hier einmalhergestellt

• Auftragsproduktion, d.h. Fertigungnach Kundenwunsch

Hoher Kosten- und Zeitanteil entfällt beiVorbereitungsaufgaben (Projektierung,Konstruktion)

Wieder-holferti-gung

• Erzeugnisse werden in größeren,unregelmäßigen Abständen herge-stellt

Bei Auftragswiederholung verminderterVorbereitungsaufwand

Mehr-fachfer-tigung

Varian-tenferti-gung

• Ähnliche Erzeugnisse desselbenGrundtyps

Im Allgemeinen gleicher Fertigungsablauffür alle Varianten

Serienfer-tigung

• Begrenzte Stückzahl• Bildung von Fertigungslosen• Meist Auftragsproduktion standar-

disierter ErzeugnisseKlein-, Mittelserien

Massen-fertigung

• Große Stückzahlen• Häufige Prozesswiederholung• Anpassung an Kundenwünsche, nur

im Rahmen geplanter Erzeugnisty-pen

Sehr hoher, einmaliger aber geringerAufwand, bezogen auf das Einzelprodukt

Tab.1.: Charakteristische Merkmale von Ferti-gungstypen


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Die neuen Produktionsansätze, ob nun Ein-zelfertigung oder Massenfertigung basierenauf modernen „Technologien“ mit nachfolgen-den Merkmalen:

• Geringe bauteilspezifische Ent-wicklungs- und Investitionskosten

⇒ Fertigungssimulation⇒ kostengünstige und schnell verfüg-bare Werkzeuge

• Textile Preformtechnologie

⇒ Optimierte Multiaxialgelege⇒ strukturelles Nähen

• Handhabungstechniken für textileHalbzeuge

⇒ Unterdruckgesteuerte Handhabung

• Schnelle Durchtränkung des Faser-materials mit ausgewähltem Harzsys-tem

⇒ Injektionstechniken mit Linien- anguß⇒ Preßklavtechnologie

• Schnelle Aushärtung

⇒ Einsatz hochreaktiver Harze⇒ Schnelle Heiztechniken

Je nach Ausprägung der Lösungen ergebensich Produktionsverfahren für die Einzel-, Va-rianten- und Kleinserienfertigung oder dieMassenfertigung. Im Rahmen dieser Arbeitwird mit Schwerpunkt die Produktionstechnikfür Einzel-, Varianten- und Kleinserienferti-gung betrachtet während für die Massenpro-duktion ein Ausblick gegeben wird. Wesentlichist jedoch der Übergang von der „Werkbank-fertigung“ d. h. der handwerklichen Fertigungzur Reihen- oder Flussfertigung. Das Fluss-prinzip wird dadurch charakterisiert, dass dieeinzelnen Arbeitsplätze/Maschinen entspre-chend der Reihenfolge des Arbeitsablaufs zurHerstellung eines Produktes angeordnet sind.Der Grundgedanke dieses Organisationsprin-zips ist eng mit dem Begriff „Arbeitsteilung“verbunden. Der Arbeitsumfang wird auf meh-rere Arbeitssysteme aufgeteilt, mit dem Ziel,durch Spezialisierung der Einzelaufgabeneine Verbesserung des Wirkungsgrades ein-zelner Arbeitssysteme zu erreichen. Die Rei-

henfertigung – für die Faserverbundproduktiondie wahrscheinlichere – unterscheidet sichvon der Flussfertigung lediglich darin, dasskeine unmittelbare zeitliche Abhängigkeit zwi-schen den einzelnen Operationen besteht. Dieoptimale Kapazitätsnutzung der unterschiedli-chen Betriebsmittel wird durch die Installationvon Pufferstrecken realisiert. Abb. 1 zeigt ei-nen möglichen Produktionsablauf für Faser-verbundstrukturen, der die genannten neuenAnsätze beinhaltet.

Autoklav-vorbereitung

Mischen und Injizieren derKomponenten

Portalanlage:-Positionieren-Vernähen-Fixieren

Portalanlage:Endbearbeitung

Entformen / Reinigen Autoklav / Injektion-Abnahme (QS)-Verpackung-Versand

Cutter

Abb. 1: Automatisierte Fertigung von Faser-verbundstrukturen

Die Hauptmaterialflüsse bei der Fertigung vonFaserverbundbauteilen gliedern sich in denWeg der Faserhalbzeuge, den Weg des Mat-rixmaterials und den Weg des ausgehärtetenFaserverbundes.

Bei den Faserhalbzeugen bieten sich Rollen-waren an, wenn die anzufertigenden Zu-schnitte aufgrund ihrer Abmaße, der geringenStückzahl oder der Gefahr von Transport-schäden nicht vorkonfektioniert bezogen wer-den können. Für größere Stückzahlen ist esim allgemeinen günstiger, vorkonfektionierteHalbzeuge vorzusehen, die bereits beim Lie-feranten zu hochwertigen Preforms oder ex-akten Zuschnitten verarbeitet wurden. DieseHalbzeuge können anschließend direkt oderin Kombination mit anderen Halbzeugen zueinem Fertigungsaufbau zusammengestelltwerden. Das Zusammenstellen der Einzel-komponenten kann dabei von einer automati-sierten Vorrichtung übernommen werden, dieeine hohe Reproduzierbarkeit und Produktivi-tät gewährleistet

Nachdem der Fertigungsaufbau mit den fürden Autoklavprozeß notwendigen Vorberei-tungen wie Vakuumabdeckung und Injekti-onsanschlüssen versehen ist kann er im Au-toklaven mit den exakt dosierten und ge-mischten Matrixkomponenten infiltriert wer-


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den. In Abhängigkeit von den einzusetzendenMatrixsystemen kann die Dosierung und Mi-schung der Einzelkomponenten auch beimLieferanten durchgeführt werden, wodurchsich Vereinfachungen in der Injektionsanla-gentechnik ergeben.

Nach dem Aushärten des Faserverbundeserfolgt die Entformung des Bauteilrohlings unddie Aufbereitung des Fertigungsmittels für dennächsten Produktionsumlauf.

Für die Endbearbeitung des Bauteilrohlingsempfiehlt sich eine multifunktionelle Anlage fürdie Besäumung der Bauteilkanten sowie dasEinbringen von Befestigungsbohrungen undAussparungen.

In einem letzten Schritt erfolgt die Überprü-fung des fertigen Bauteiles und der Versand

3. Geringe bauteilspezifischeEntwicklungs- und Investiti-onskosten

3.1. Fertigungssimulation

Bei der herkömmlichen sequentiellen Vorge-hensweise in der Bauteilentwicklung werdennach nur 5% Entwicklungsfortschritt bereits70% der Herstellungskosten festgelegt. Ent-scheidende Bedeutung kommt deshalb einemWechsel zu einer simultanen Einbindung allerbeteiligten Disziplinen im Sinne eines Concur-rent Engineering [7] zu. Dieser Ansatz musssich auf hocheffizient miteinander verknüpfteIterationsschleifen abstützen, für die neueSimulationswerkzeuge erstellt und adäquateDV-Systeme eingesetzt werden müssen. Fürdie Fertigung bedeutet Concurrent Enginee-ring ein gleichzeitiges Bearbeiten der Teilas-pekte Materialauswahl, Auswahl des Ferti-gungsverfahrens, Prototypenerstellung, Se-rienwerkzeugerstellung und Serieneinführung(Bereitstellung der Kapazitäten). Da die ein-zelnen Fertigungsschwerpunkte in einer ge-genseitigen Abhängigkeit stehen, muss füreinen ständigen Informationsaustausch ge-sorgt werden, um ein zielgerichtetes Vorge-hen zu ermöglichen. Hierbei sind spezielleSimulationswerkzeuge von großer Bedeutung,mit denen Fertigungsschritte variabel an diejeweiligen Modifikationen adaptiert werden

können, ohne dass unnötige Folgekosten ver-ursacht werden. Auf diese Weise kann derFertigungsprozess bis zum Beginn der eigent-lichen Fertigung als virtueller Vorgang suk-zessive mit Entwicklungsergebnissen aufge-baut werden, etwa nach Abb. 2

Simulation der Faserhalbzeugablagez.B. FiberSIM

Simulation der Injektion

Simulation der Endbearbeitung

Ziel: Direkter, störungsfreier Produktionsanlauf

FEM - Berechnung mit Berücksichtigung der Faserschiebung

Abb.2: Fertigungssimulation für FVW-Strukturen

3.2. Kostengünstige und schnell Ver-fügbare Fertigungsmittel

Die Fertigungsmittel sind entscheiden für ei-nen problemlosen und reproduzierbaren Fer-tigungsablauf, wie er für eine qualitätsgesi-cherte Fertigung von hochwertigen Strukturenerforderlich ist. Einhergehend mit immer kür-zer werdenden Gesamtentwicklungszeitenwerden auch die Ansprüche an die Verfügbar-keit von Fertigungsmitteln immer höher. ImVordergrund steht dabei eine möglichst di-rekte Umsetzung eines 3D Bauteildatensatzesin das entsprechende Fertigungswerkzeug.Die Kosten der Fertigungsmittel richten sich inerster Linie nach der Bauart, der Größe undder Komplexität der zu fertigenden Bauteile.Darüber hinaus sind Kriterien wie Maßgenau-igkeit und Standzeit wesentliche Kostenfakto-ren, die sehr früh in die Kalkulation mit einbe-zogen werden müssen.

Integral gefräste Werkzeuge haben den Vor-teil, dass sie kurzfristig aus dem Vollen her-ausgearbeitet werden können. Fertigungsba-sis ist ein mit CAD Systemen erstelltes 3DModell, welches direkt zur Erstellung desFräsprogrammes genutzt wird. Die aufwendi-ge Ausarbeitung von Zeichnungsableitungenkann bei komplexen Freiformstrukturen ent-fallen. Ein Vorteil dieser Fertigungsmittel istdie hohe Standzeit (mehr als 1000 Abformun-gen) und die Möglichkeit Reparaturen(Schweißen, Löten) durchzuführen.

Faserverbundwerkzeuge mit Kohlenstofffa-serverstärkung sind im Vergleich zu Metall-werkzeugen sehr leicht und verfügen über


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einen sehr geringen Wärmeinhalt. DieserVorteil äußert sich aufgrund kurzer Aufheiz-und Abkühlzeiten in kurzen Autoklavzyklus-zeiten und vereinfacht das Werkzeughändling.Positiv ist darüber hinaus der mit den zu ferti-genden Bauteilen übereinstimmende Wärme-ausdehnungskoeffizient. Die Kosten für Fa-serverbundwerkzeuge fallen im Vergleich mitMetallwerkzeugen geringer aus. Nachteiligwirkt sich bei Faserverbundwerkzeugen diegeringere Standzeit des Werkzeuges (ca.300-600 Abformungen) aus, da mit zuneh-mender Alterung mit steigender Porosität zurechnen ist und der Verschleiß beim Entfor-men zunimmt. Die Herstellung von Faserver-bundwerkzeugen erfolgt überwiegend durchdie Abformung einer Modellstruktur, die wie-derum integral aus Blockmaterial herausgear-beitet wird.

Nickel-Galvanowerkzeuge zeichnen sichdurch höchste Oberflächengüte und langeStandzeiten aus. Die elektrochemisch abge-schiedenen Metallschalenwerkzeuge weisenaußerdem ein geringes Gewicht auf, da keineMaterialanhäufungen wie bei integral gefräs-ten Werkzeugen entstehen. In Folge der ge-ringen Massenansammlung können die Auf-heiz- und Abkühlzeiten kurz gehalten werden,was sich wiederum positiv auf die Autoklav-zykluszeiten auswirkt. Da die Nickel-Galvanowerkzeuge bei unkritischen Tempe-ratutren abgeschieden werden, bietet es sichan die Badmodellen aus Epoxydharz direktvon den 3D-CAD-Daten über Rapidprototy-ping (Laserstereolithographie) herzustellen.Bewährt haben sich Nickel-Galvanowerkzeuge auch in Anwendungen,bei denen es auf höchste Genauigkeit an-kommt, da die Möglichkeit besteht die Werk-zeuge über spezielle Einstellschrauben nach-zujustieren. Nickel-Galvanowerkzeuge lassensich löten und schweißen und sind somit gutzu reparieren bzw. zu modifizieren.

Welches Fertigungsmittelkonzept sich für dieRealisierung eines konkreten Vorhabens ambesten eignet hängt letztendlich von den zurVerfügung stehenden Einrichtungen, derKomplexität der Gesamtkonstruktion und dengeplanten Stückzahlen ab.

4. Textile Preformlinge

Um die von der Industrie gesteckten Ziele von40% Kostenreduktion und 30% Gewichtsre-duktion für zukünftige Flugzeugstrukturen zuerreichen, wird derzeit massiv betrieben, diePrepreg - Technologie durch Verfahren zuersetzen, bei denen trockene textile Faser-halbzeuge (Faserpreforms) mit Harz durch-tränkt werden.

Die Vorteile der Faserpreforms liegen in derMöglichkeit, moderne Textiltechnologien mitihren hohen Automatisierungsgraden zu nut-zen, um damit komplexe Teilkomponentenkostengünstig und fasergerecht herzustellen.Wesentlich ist dabei auch die Verringerungder Fertigungstiefe im Faserbundproduktions-unternehmen.

Für die Verwirklichung von multidirektionalenFaserverbunden bietet sich die Verwendungvon Multiaxialgelegen an, mit denen der Able-geaufwand und der Verschnitt im Vergleich zuherkömmlichen UD- bzw. Gewebematerialiendrastisch reduziert werden kann.

Um eine gezielte dreidimensionale lokale Ver-stärkung zur Optimierung der technologischenEigenschaften einer Faserverbundstruktur zuerzielen, lassen sich bewährte Nähverfahrenaus der Textilindustrie nutzen, mit denen dieSchadenstoleranz von Faserverbundstruktu-ren wesentlich verbessert werden kann. DieseNähtechnologien müssen an die Anforderungder Faserverbundtechnologie angepasst wer-den. Hierzu wurde am Institut für Strukturme-chanik eine sogenannte Einseitennähtechnikentwickelt, die aus den Erfahrungen bei derAuslegung und Fertigung von Faserverbund-strukturen entstanden ist.

-45°

+4590°

90°

0°Umstickter Ausschnitt

Multiaxialgelege

Multiaxialgelege,quadraxial

Vernähte Strukturen

Gestickte Zuglasche

0,125 mm1,0 mmPrepreg

85 % geringererAblegeaufwand

Abb. 3: Einsatz optimierter Faserhalbzeuge


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4.1. Optimierte MultiaxialgelegeEinen Ansatz zur Reduzierung der Material-und Fertigungskosten bei der Herstellung vonFaserverbundwerkstoffen bietet die Multiaxi-altechnik. Sie ermöglicht die vollautomatisierteHerstellung textiler Faserhalbzeuge aus meh-reren Faserlagen mit unterschiedlichen Fa-serorientierungen. Darüber hinaus ermögli-chen die Multiaxial-Gelege auch beim Verar-beiter eine erhebliche Einsparung an Kosten,da durch die Zusammenfassung mehrererEinzellagen der Ablegevorgang besondersbeim Aufbau komplexer Mehrschichtverbundemit quasiisotropem oder gezielt anisotropemAufbau drastisch reduziert wird. Ein weiteresEinsparungspotential entsteht durch den ge-ringeren Verschnitt, der sich durch die Ver-wirklichung multiaxialer Faserkomplexe ergibt.Im Rahmen eines vom BMBF gefördertenProjektes “OPTIMAX [8]“ wird an der Herstel-lung konfektionierter, d. h. an die Randkonturder Bauteile angepasster Multiaxialgelegegearbeitet.

In zahlreichen Projekten mit der Luftfahrtindust-rie wurde das Potential der Multiaxialgelege amInstitut für Strukturmechanik untersucht unddurch gezielte Optimierungen weiter ausge-baut. Dabei wurde deutlich, dass das Leistungs-potential der Multiaxialgelegelaminate zur Zeitum ca. 5 % unter den Prepreglaminaten liegt.Das erklärte Ziel ist es jedoch, in naher Zukunftdie Leistungsfähigkeit von Prepreglaminaten zuerreichen.

Strukturelles NähenDie Nähverfahren werden eine bedeutendeStellung in der Prozesskette einnehmen undbei der Realisierung zukünftiger Großstruktu-ren eine wichtige Rolle übernehmen [9]. Siebieten das Potenzial, unterschiedlichste textileProzesse miteinander strukturell zu verknüp-fen und stellen damit neben einem qualifi-zierten Injektionsverfahren und dem Preform-technologien einen wesentlichen Bestandteilder Prozesskette dar. Nähverfahren könnenals Fixierungsmaßnahme oder fasergerechtesFügeverfahren eingesetzt werden. Darüberhinaus bieten sie die Möglichkeit, gezielt lokaldreidimensionale Steifigkeiten und Festigkei-ten in laminatförmigen Faserverbundstruktu-ren zu erzeugen.

Die am DLR, Institut für Strukturmechanik fürdiese Zwecke entwickelte “Einseitennähtech-

nik [10] unterscheidet sich von konventionel-len Nähtechnologien in entscheidender Wei-se. In Hinblick auf die Vernähung „großer“Faserverbundpreforms wird nicht mehr dasNähgut, sondern der Nähapparat verfahren.Ein in Zusammenarbeit mit der KSL GmbH(Lorsch) entwickelter „Einseitennähkopf“ wirdam DLR an einer konventionellen CNC-Anlage betrieben. Denkbar sind aber auchAnwendungen an konventionellen Brücken-systemen oder Handhabungsautomaten (Abb.4)

Abb. 4: Industrielle Vernähung textiler Pre-forms

Ein weiterer Vorteil gegenüber konventionel-len Verfahren ist, dass das Nähgut nur nochvon einer Seite zugänglich sein muss undsomit aufwändige und kostenintensive Unter-konstruktionen vermieden werden können.Für die Effizienz der Produktionstechnik istdas Nähen direkt in das Formwerkzeug bzw.in ein Handhabungswerkzeug von entschei-dender Bedeutung.

5. Handhabungstechniken fürtextile Halbzeuge

Für oben beschriebene Reihenfertigung unterNutzung textiler Halbzeuge, ist dem Transportder Halbzeuge zwischen den Arbeitstationenund dem Einlegen in die Formwerkzeuge eineentscheidende Bedeutung zu zuordnen. Zurformtreuen Schichtung und der dreidimensio-nalen Positionierung von Faserhalbzeugen,wie Geweben oder Multiaxialgelegen, werdenzur Zeit vorwiegend manuelle Techniken an-gewendet die eine Ablage direkt in die meistkonkaven Injektionswerkzeuge vorsehen. Da-zu werden mit erheblichen Nachteilen für die


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Struktureigenschaften Klebepulver undKlemmsysteme eingesetzt. Auch ein struktur-optimierendes strukturelles Nähen ist nur miterheblichen Schwierigkeiten und Einschrän-kungen möglich.

Ein bei dem DLR bereits mit Erfolg verwen-detes Verfahren [11] basiert auf unterdruck-gesteuerten Trägervorrichtungen. Es wird vonPositivformen ausgegangen, die aus Lochble-chen mit geeigneter Rasterung hergestelltwerden. Durch das Lochblech wird mit einemSauggebläse eine Unterdruckströmung derarterzeugt, das auf die Form applizierte Faser-verbundhalbzeuge angesogen werden. Ver-suche haben gezeigt, dass mit Industriestaub-saugern eine ausreichende Unterdruckströ-mung erzeugt werden kann, um Faserhalb-zeuge auch für dicke Laminate zu halten. Auf-grund des verwendeten Lochbleches kanndas Faserhalbzeug auf dem Träger mit geeig-netem Stichabstand strukturell vernäht wer-den.

Abb. 5 : Unterdruckgesteuerte Trägervorrich-tung

Die Abmessungen des Formkastens sind sozu wählen, dass er leicht mit den aufgelegtenFaserschichten in das Formwerkzeug einge-legt werden kann.

Abb.: 6: Einlegen der Multiaxialgeleges mitder Trägervorrichtung in das Fertigungsmittel

Durch Umstellen von Unterdruckströmung aufÜberdruckströmung wird das Faserhalbzeugvom Träger getrennt und kann entfernt wer-den.

6. Schnelle Durchtränkung desFasermaterials mit ausge-wähltem Harzsystem

6.1. Injektionstechniken mit Linien-anguß

Am Institut für Strukturmechanik wurde einneues Harzinjektionsverfahren zur wirtschaft-lichen Herstellung großflächiger Hochleis-tungsverbundstrukturen entwickelt, das alsSingle – Line - Injektion- (SLI-) Verfahren be-zeichnet wird und Kern der hier vorgestelltenProduktionstechnik ist. Bei diesem Verfahrenhandelt es sich um eine Kombination desRTM - Verfahrens [12] mit einigen Elementender Prepreg - Technologie [13]. Das SLI -Verfahren erlaubt es, Harz und Faserhalbzeuggetrennt zu handhaben, was gegenüber derPrepreg - Technologie zu einer erheblichenSenkung der Materialeinstands- und Lager-kosten führt. Zudem können durch die An-wendung flexibler Formen die Werkzeugkos-ten stark reduziert werden, was sich insbe-sondere bei kleinen bis mittleren Stückzahlen,wie sie in der Flugzeug- aber auch in derSchienenfahrzeugindustrie typisch sind, äu-ßerst positiv auf die Stückkosten auswirkt.Darüber hinaus ermöglicht ein neuentwickel-tes Injektionsmanagement sowohl eine


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schnelle und gezielte Harzdurchtränkungselbst bei großflächigen Strukturen als auchhohe Faservolumengehalte mit erstklassigenLaminatqualitäten.Das Prinzip dieses sogenannten Single – Line- Injection - (SLI-) Verfahrens [14] zeigt Abb.7.

Injektions- und Autoklavprozeßwerden geregelt und überwacht

250 g

Abb 7: Das SLI-Verfahren

Das SLI - Verfahren ist ein Injektionsverfah-ren, bei welchem im Gegensatz zum klassi-schen RTM - Verfahren die Kräfte zum Ver-dichten des Fasermaterials nicht mehr me-chanisch durch ein massives Werkzeug, son-dern durch den Autoklavdruck aufgebrachtwerden. Diese Tatsache ermöglicht sehr ein-fache und daher kostengünstige Formwerk-zeuge. Die einzelnen Fertigungsschritte las-sen sich wie folgt untergliedern:

In einem ersten Produktionsschritt wird dastrockene Fasermaterial auf einem einseitigen,formgebenden Werkzeug abgelegt, welchessowohl massiv als auch als dünnwandigeSchale ausgeführt werden kann, da es nurdurch das Eigengewicht und nicht durchDruckkräfte (RTM - Verfahren) belastet wird.Im Anschluss daran wird direkt auf dem Fa-sermaterial eine Injektionslinie platziert, überdie sowohl die Evakuierung der Faserpreformals auch die Injektion des Harzsystems er-folgt. Diese Injektionslinie kann dabei beliebigauf der Faserpreform angeordnet werden, umdie Fließstrecken und damit die Injektionszei-ten zu verkürzen. Da eine solche beliebigeInjektionsführung zu lokalen Porositäten imFaserverbundbauteil führt, werden in kriti-schen Bereichen lokal begrenzte Kavitätenpositioniert, die ein gezieltes lokales Spülen indiesen Bereichen ermöglichen.

gelochte FolieFaservliesGaseinschlüsse

Vakuumfolie

FasermaterialHarzfließfront

Bild 8: Lokale Kavität beim SLI - Verfahren

Hierdurch werden Gaseinschlüsse in die Ka-vitäten gesaugt und können somit nicht mehrzu Lunkern im eigentlichen Bauteil führen.

Nachdem alle für den Fertigungsprozess er-forderlichen Elemente (Injektionslinien etc.)positioniert worden sind, wird das Formwerk-zeug mit einer Folie vakuumdicht versiegelt.Darauffolgend wird der Injektionsanschlussmit einer druckstabilen Leitung (z.B. Kupfer-rohr) verbunden, die aus dem Autoklavenherausgeführt wird. Außerhalb des Autoklavenkann diese Leitung zur Evakuierung mit einerDrucksenke oder zur Injektion mit einer Injek-tionsanlage verbunden werden. Anschließendwerden die Fertigungsparameter Au-toklavdruck und Temperatur eingestellt undder Injektionsvorgang gestartet. Nach erfolg-reicher Harzinjektion erfolgt die Aushärtungdes Harzsystems.

Durch dieses Verfahren kann mit reduziertemAufwand an Leitungen und Anschlüssen einesichere Prozessführung mit kontrollierbarerHarzausbreitung gewährleistet werden. Dar-über hinaus werden nicht wiederverwendbareKomponenten (Leitungen mit ausgehärtetemHarz) minimiert und die Wirtschaftlichkeitdurch verminderten Abfall verbessert. Einweiterer wesentlicher Vorteil des SLI - Verfah-rens besteht in der Möglichkeit, den gesamtenAutoklavprozess zu automatisieren, womit einentscheidender Schritt in Richtung einer qua-litätsgesicherten und wirtschaftlichen Ferti-gung von Hochleistungsverbundstrukturengemacht wurde.

6.2. PressklavtechnologieDas oben vorgestellte SLI - Verfahren setztauf die in der Prepregtechnologie üblichenAutoklavtechnologie auf, mit dem Vorteil, dassdie vorhandenen Toolingsysteme weitestge-hend verwendet werden können. Die Au-toklavtechnologie erfordert jedoch Zykluszei-ten im Stundenbereich. Dies ist nur bei kom-plexen Großstrukturen der Einzelteil-, Varian-ten und Kleinserienfertigung bei Parallelbe-


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schickung mit einer Vielzahl von Einzelwerk-zeugen rationell. Für die Massenfertigung isteine hochautomatisierte Variante des DP-RTM - Verfahrens in der Entwicklung. Diehierbei entstandene Pressklavtechnologie [15]beruht auf der Kombination von drei Techno-logien. Es handelt sich um eine modifizierteAutoklavtechnologie, die Vakuumsack –Tech-nologie sowie die Kaltangußtechnik der Du-romerspritzguß - Technologie.

Die wesentlichen Komponenten derPressklavtechnologie sind eine Druckglocke,die die Funktion des Autoklaven übernimmt,eine Mehrschichtmembran aus einem elasto-mer Material und ein neuartiges Injektions-ventil mit Membransteuerung (Abb. 9).

Abb. 9: Pressklavventil in der Schließ- undInjektionsphase (pi = Injektionsdruck, pw =Wasserschließdruck)

Die Verfahrensschritte lassen sich in 5 Pha-sen unterteilen:

1. In die vorab aufgeheizte Negativformwird das zugeschnittene Fasermaterialeingelegt und die Druckglocke mit derMembran auf den Formling abgesenkt.

2. Über die Presskraft wird die zum Va-kuumaufbau notwendige Schließkraftaufgebaut. Ist die Vorrichtung ge-schlossen, kann der Vakuumaufbau ü-ber das Vakuumventil erfolgen. Dannist der Behälterinnendruck aufzubau-en. Dieser Behälterdruck (pBeh) dient,wie beim SLI - Verfahren zur Verdich-tung des Fasermaterials.

3. Nach dem Erreichen des notwendigenVakuums (< 1mbar) beginnt der Injek-tionsprozess mit der nachfolgendenGelierphase. Hierzu wird die Vakuum-leitung abgesperrt und der Steuerluft-druck angelegt (pm) bevor die Injektion(pw< pi>Beh) durch öffnen der Harzlei-tung gestartet wird.

4. Ist die für die Füllung des Bauteils er-forderliche Harzmenge injiziert, muss

die Harzleitung abgesperrt werden, umder Matrix eine gleichmäßige Vertei-lung im Bauteil zu ermöglichen. Zudemwürde sich durch den gegenüber demBehälterdruck höheren Injektionsdruckder Matrixfluss nicht verringern und ei-ne Überfüllung des Bauteils verursa-chen. Bei größeren Strukturen kannder Injektionsprozess zum Erzielen der100% Füllung in kleinen Intervallendurchgeführt werden.

5. Ist die Härtephase abgeschlossen,wird der Behälterinnendruck abgelas-sen und die Druckglocke aufgefahren.Das Bauteil kann entformt und an-schließend zur vollständigen Härtunggetempert werden.

Der derzeitige Entwicklungsstand des Verfah-rens lässt Taktzeiten von weniger als 10 minzu. Eine weitere Verringerung der Taktzeitenkann durch höherreaktive Harzsysteme undverbesserte Membranwerkstoffe (VerbesserteTrenneigenschaft) erreicht werden.

Abb. 10 zeigt den Fertigungsaufbau, wie er inKürze zur Serienfertigung von Arbeitschutz-helmen eingeführt wird.

Abb. 10: Pressklavtechnologie

7. Schnelle Aushärtung

7.1. Einsatz hochreaktiver HarzeAls kurz bis mittelfristige Lösung stellen sichfür die Flugzeugindustrie aber auch die Ver-kehrstechnik die unter dem HandelsnamenBlendur vertriebenen Produkte der Fa. Bayerdar. Dies sind Epoxy-Isocyanurate (EPIC)Harze, die auf einem Diphenylmethan Diiso-cyannat und einem Epoxidharz (Bisphenol A)basieren. Nach Zugabe eines Katalysatorswerden durch eine Kombination einer Trimeri-


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sation mit einer Polyaddition die typischenIsocyanurat- und Oxazolidinonringe gebildet.Im Unterschied zu den bekannten PIRSchäumen wird durch die Substitution desPolyol Anteils durch ein Epoxidharz und durchdie Auswahl eines geeigneten Katalysatorsdie Bildung einer festeren Struktur mit höhererthermischer Beständigkeit erzielt.

Blendur Harze umfassen eine Gruppe vonProdukten, die im wesentlichen auf identi-schen Ausgangskomponenten basieren, wo-bei es hinsichtlich des eingesetzten Kataly-sators eine Reihe von Variationsmöglichkeitengibt. Die Blendur Harze liegen in unterschied-lich weit vortrimerisiertem, lagerstabilen Zu-standen vor. Somit kann die für die jeweiligeVerarbeitungstechnologie ideale Viskositätausgesucht bzw. abgemischt werden.

Hinsichtlich des Einsatzes von Nasstechnolo-gien ist vor dem Hintergrund einer hohen Pro-zesssicherheit der Einsatz von latent kataly-sierten Blendur Harzen interessant. DieseHarze zeigen bei Injektionstemperatur extremlange Topf- und damit Verarbeitungszeiten, sodass ein vorzeitiges Angelieren während desDurchtränkungsvorganges, was unweigerlichzur Ausschussproduktion führt, ausgeschlos-sen werden kann. Die für latent katalysierteSysteme typische rel. zügige Aushärtung ineinem kurzen Zeitraum, einhergehend mithohen Energiefreisetzungsraten, behindertoffensichtlich nicht die Fertigung dicker Lami-nate, da in DP-RTM Technologie mit Blendurschon CFK Laminate mit Wanddicken vonüber 25 mm ohne Verbrennungserscheinun-gen hergestellt werden konnten.

Die mechanischen Eigenschaften von Blendurwurden beim DLR, Institut für Strukturmecha-nik, im Rahmen von zwei Projekten näheruntersucht, wobei sich ein hervorragendesmechanisches Eigenschaftsprofil gezeigt hat.Lediglich die ermittelten Zähigkeitswerte lie-gen leicht unter denen von etwa RTM 6, wo-bei die Kosten für das (noch nicht Luftfahrtzu-gelassene) Blendur bei ca. ¼ der Kosten vonRTM 6 liegen. Neben den sehr guten Verar-beitungseigenschaften, dem niedrigen Preisund dem hohen mechanischen Leistungsprofilkann Blendur aufgrund inhärenter Brandfes-tigkeit die FST Anforderungen erfüllen.

Prinzipiell können für Blendur solche Ferti-gungshilfsmittel eingesetzt werden, die auchfür die Epoxydverarbeitung Verwendung fin-

den. Der derzeitige Härtungszyklus liegt beica. 4 Stunden, von denen aber ein Großteilder Zeit über Nachhärten außerhalb des Au-toklaven abgedeckt werden kann. Untersu-chungen zur Vereinfachung des Härtungs-zyklusses werden derzeit im LuFo II, Kat-Harze (Cluster Arbeitspunkt C. 1.3.4.2.)durchgeführt. Ebenfalls werden unter diesemArbeitspunkt die Möglichkeiten zur Zähmodifi-zierung betrachtet.

7.2. Schnelle HeiztechnikenEine Vielzahl verschiedener Verfahren undMethoden sind bis heute erarbeitet worden,die alle bei warmhärtenden Verfahren denEinsatz von Warmluft zur Temperierung derauszuhärtenden Formteile erfordern. DieseVerfahren sind langwierig, schwer regel- undautomatisierbar, sowie sehr energieaufwen-dig, da zum Erwärmen der auszuhärtendenFaserverbundstruktur die gesamte Form undOfenstruktur miterwärmt werden muss. VomFZK und dem DLR wurde eine gemeinschaft-liche Konzeption [16] für eine neuartige undinnovative Fertigungstechnologie für Ver-bundwerkstoffe im industriellen Maßstab er-stellt. Durch die Verwendung von 24 GHz Mil-limeterwellen ergeben sich für den Herstel-lungsprozess der CFK Strukturbauteile eineVielzahl entscheidender Vorteile, um denSprung zu marktkonformen Preiskategorienvollziehen zu können.:

• Kalter Ofen, selektives Erwärmen desCFK/GFK

• Sehr hohe Heizraten

• Sehr gleichmäßige Durchwärmung imVolumen

• Instantane Prozesssteuerung

• Niedriger Energieverbrauch

• Schnelle Zykluszeiten - Hoher Durch-satz

Bei dieser Technologie wird das in der Form-schale ausgelegte Faserverbundhalbzeugselektiv durch die 24 GHz mm-Welle einesGyrotrons temperiert. Die gesamte Prozess-einheit erwärmt sich bei diesem Vorgang nurunwesentlich durch thermische Konduktionüber die Basisformschale. Die 24 GHz Wellenwerden vom Gyrotron (Quelle) kommend aufdie auszuhärtende Struktur mittels eines


Herrmann

Spiegels umgelenkt. Dieser Spiegel ist weiter-hin wellenoptisch so ausgelegt, dass einegleichmäßige Feldamplitude im Bereich deszu prozessierenden Formteils erreicht wird.Die Prozesssteuerung erfolgt über oberflächi-ge Thermoelemente, die instantan mit derRegeleinheit den Prozess steuern können. ImFalle der exothermen Aushärtungsreaktionkann beispielsweise sofort die elektromagne-tische Heizleistung den Anforderungen ent-sprechend zurückgefahren werden. ErsteUntersuchungen haben gezeigt das mit übli-chen Epoxydharzsystemen Prozesszeiten(von der Inbetriebnahme des Ofens bis zurEntnahme des ausgehärteten Faserverbund-bauteils aus dem kalten Ofen) unterhalb von30 Minuten erreicht werden.

8. Rechnergesteuerte Quali-tätssicherung

Ziel dieser Entwicklung ist es, den Status derjeweiligen Bauteilfertigung am Rechner zubegleiten und einen automatischen Vergleichder Soll- und Ist-Parameter vornehmen zukönnen. Dies bezieht sich sowohl auf dieKontrolle der eingesetzten Materialien undHalbzeuge als auch auf die Kontrolle des ge-samten Fertigungsprozesses bis hin zur ab-schließenden Prozessprotokollierung.

Angedacht ist ein System, bei dem der ver-antwortliche Projektleiter eine sogenanntesLife-Data-Sheet (LDS) am Rechner entwerfenkann, welches eine detaillierte Beschreibungdes gesamten Fertigungszyklus mit den zuverwendenden Materialien enthält. DiesesLDS soll anschließend in ein DV-Netz einge-speist werden, um während der gesamtenFertigung allen Beteiligten zur Verfügung zustehen. In dem LDS sind alle Arbeitsschrittedetailliert mit allen Soll-Werten und Arbeits-anweisungen aufgeführt. Es liegt nun in derVerantwortung der bearbeitenden Mitarbeiterdie sachgerechte Ausführung von Arbeits-schritten sowie die verwendeten Materialien,Prozeßparameter und Hilfsstoffe in der LDSzu vermerken. Das EDV-gestützte QS-Systemführt bereits während der Eingabe der Para-meter einen Soll-Ist-Vergleich durch. Bei e-ventuellen Abweichungen vom Soll-Wert wirdsofort eine Warnmeldung ausgegeben. Umdie Eingabe der Parameter zu vereinfachen,

werden Bauteile, Materialien und Hilfsstoffemit Bar-Codes versehen, welche mit tragba-ren Geräten erfaßt werden können. Über ent-sprechende Schnittstellen werden diese In-formationen an das im DV-Netz verfügbareQS-System übertragen. Während der ge-samten Fertigung muß dabei sichergestelltwerden, daß während der Bearbeitung durcheinen Mitarbeiter der Zugriff für andere Mitar-beiter solange gesperrt ist, bis der bearbei-tende Mitarbeiter nach endgültiger Bearbei-tung eine Freigabe erteilt. Anderenfalls wärees nicht auszuschließen, daß bei einer paral-lelen Bearbeitung ein Mitarbeiter die Ände-rungen eines anderen Mitarbeiters unbeab-sichtigt überschreibt. In einem Log-File wer-den hierbei alle Änderungen protokolliert, sodass jederzeit nachvollziehbar ist, welcherMitarbeiter welche Eintragungen vorgenom-men hat.

Auf Basis dieses Systems ist dann eine lü-ckenlose Qualitätsabsicherung möglich.

9. Literaturverzeichnis

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Herrmann

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(16) L. Feher, A. S. Herrmann, A. Pabsch,C. Sigle Patentschrift „Verfahren undMikrowellensystem zur thermischenProzessierung von aus Ausgangsma-terialien zusammengesetzten Form-körpern zu formbeständigen Compo-siten“

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