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Neue Wege der industriellen Herstellung
im Faserverbundleichtbau Prof. Clemens Dransfeld, Institut für Kunststofftechnik
PANTONE 123
PANTONE 151
PANTONE 368
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PANTONE 3955
PANT. Red 032
PANT. Orange 021
Swiss VPE Workshop 2012
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 2
Inhalt
Kunststofftechnik an der FHNW
Motivationen der Automobil- und Luftfahrtindustrie
Industrielle Bedürfnisse im Faserverbundleichtbau
Neue Wege der Imprägnierung und Konsolidierung
Lösungsansätze
Fazit
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Kunststofftechnik an der FHNW
Lehre Maschinenbau Vertiefung
Kunststofftechnik
Nachdiplomstudium (MAS) Kunststofftechnik
seit 30 Jahren
Angewandte Forschung mit 30 Mitarbeitern
• Auftragsforschung, 4 EU Projekte, div.
nationale Drittmittel (KTI)
• Schwerpunkt Faserverbundtechnologie
• Schwerpunkt nanotechnische
Kunststoffanwendungen
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4
Motivation der Automobilindustrie
Source: Faserverbundwerkstoffe als wirtschaftliche Option für die Großserie, Prof. Dr. H. Ferkel VW AG
Vorgaben der EU zum C02 Ausstoss.
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Swiss VPE Workshop 2012 5
Motivation der Automobilindustrie
Source: Comité des Constructeurs Français Automobiles 2008
Die “grossen Vier” haben ein
Problem:
•Audi
•BMW
•Daimler
•Porsche
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Swiss VPE Workshop 2012 6
Motivation der Automobilindustrie
Source: DLR Braunschweig
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Motivation der Luftfahrtindustrie
9% Totale Gewichtreduktion => 7% Reduktion des C02 Ausstosses
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Motivation der Luftfahrtindustrie
Copyright 2008 The Japan Carbon Fiber Manufacturers' Association
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Bewegung im Markt…
Volkswagen steigt bei SGL Carbon ein - Aktie springt hoch (AF)
28.02.2011 21:08
WIESBADEN/WOLFSBURG/GENF (awp international) - Der Autokonzern Volkswagen ist beim
Wiesbadener Kohlenstoffspezialisten SGL Carbon SE eingestiegen. Die Volkswagen AG erwarb einen
Anteil von insgesamt 8,18 Prozent der Aktien, wie die SGL Group am Montag in Wiesbaden
mitteilte….
AUCH BMW UND VOITH AN SGL BETEILIGT
Weitere meldepflichtige Aktienbestände an SGL Carbon halten SKion, die Beteiligungsgesellschaft
von BMW-Grossaktionärin Susanne Klatten, mit 22,25 Prozent sowie die Voith Gruppe mit 5,12
Prozent…
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Bedürfnisse der Industrie
Die Hochleistungsfaserverbundwerkstoffe können zur Lösung der
ökomischen und ökologischen Herausforderungen für eine nachhaltige
Mobilität beitragen.
Es bleibt jedoch eine signifikante Hürde
Die heutigen Herstellverfahren sind aufwändig, arbeitsintensiv und nur
bedingt industrialisierbar.
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 11
Prepreg Autoclav : State of the Art für Hochleistungskunststoffverbunde
Imprägnierung
Manuelles Ablegen
Vakuumsack
Aushärtung in Autoklav
www.carbon.at
www.advanced-composites.co.uk
www.advanced-composites.co.uk
8 Stunden
P, T 6 bar 180°C
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Positionieren der Fasern
Imprägnieren der Fasern
Kompaktierung
Thermischer Zyklus
(Aushärtung oder Erstarrung)
Entformung
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Schritte der Herstellung von Faserverbundstrukturen
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Positionieren der Fasern
Imprägnieren der Fasern
Kompaktierung
Thermischer Zyklus
(Aushärtung oder Erstarrung)
Entformung
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Beispiel: Prepreg Autoklavverfahren /SMC / Wickeln
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Positionieren der Fasern
Imprägnieren der Fasern
Kompaktierung
Thermischer Zyklus
(Aushärtung oder Erstarrung)
Entformung
14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 14
Beispiel: Resin Transfer Molding (RTM)
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Positionieren der Fasern
Imprägnieren der Fasern
Kompaktierung
Thermischer Zyklus
(Aushärtung oder Erstarrung)
Entformung
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Beispiel: Compression RTM / Spaltimprägnierung
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 16
Dilemma der Industrialisierung
Kostenreduktion
Str
uk
ture
lle
Eig
en
sc
ha
ften
CFK-PREPREG AUTOKLAV
SMC (KLASSISCH)
GMT
HARZINJEKTIONSVERFAHREN
SPRITZGUSS TRADE-OFF ROUTE
OK für Anbauteile
ZIEL für primäre Strukturen
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Kostenvorgabe der Automobilindustie
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Quelle: Audi
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Lösungsansätze in der Verfahrenstechnik
• Compression Resin Transfer Molding
• Hochleistungspressmassen
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Konventionelles Resin Transfer Molding
‗Fasergelege in Werkzeug einlegen
‗Werkzeug schliessen (Kompaktierung)
‗Harz Injizieren
‗Aushärten
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http://www.alcancompositestructures.com
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 20
Alternative zu RTM
RESIN TRANSFER MOLDING (RTM)
-GESCHLOSSENE KAVITÄT
-LANGER FLIESSWEG
COMPRESSION RTM:
- FLIESSWEG UM GRÖSSENORDNUNGEN REDUZIERT
- WERKZEUG MUSS "ATMEN"
Darcy’s Law
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Ablaufdiagramm konventionelles RTM
VISKOSITÄT
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 22
Potential Compression RTM
VISKOSITÄT
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 23
Der Weg zur Fliesswegreduktion
RTM
In-plane Imprägnierung
CRTM
Out-of-plane Imprägnierung
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Prinzip Compression RTM
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 33
Plattenwerkzeug
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 34
Versuchsparameter
• Prozess: RTM und Compression RTM
• Monitoring: T, p, Dielektisch
• Druckvariation: 5 – 40 bar Innendruck
• Aushärtung bei 180°C isotherm
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 35
Plattenbauteil
Dimensionen: 380 x 180 x 4.6
Material: 6xSaertex triaxial non-crimp-fabric
Matrix : RTM6
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 36
Einlfluss des Nachdrucks auf Eigenschaften
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
light
RTM
5 Bar 10 Bar 15 Bar 20 Bar 25 Bar 40 Bar
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Inte
rl. S
hubspannung
[MP
a]
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14.6.2012 37
Ergebnisse - Einsparung der Injektionszeit
Swiss VPE Workshop 2012 37
VISKOSITÄT
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14.6.2012 38
1. Potential: Einsparung der Injektionszeit
Swiss VPE Workshop 2012 38
VISKOSITÄT
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 39
2. Potential: schnellere Harzformulierungen
39
VISKOSITÄT
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14.6.2012 42
Ergebnisse
• Einsparung der Injektionszeit, bis 50 mal schneller (Bauteilabhängig)
• Benötigte Kavitätsinnendrücke von 15 - 20 bar
• Äquivalente oder bessere mechanische Eigenschaften als RTM
• Keine Faserverschiebungen in der Ebene / homogene Harzverteilung
• Autoklav- Äquivalente Faservolumengehalte von ≤ 63%
Swiss VPE Workshop 2012 42
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 43
Übertragung der Erkenntnisse auf C-Profil
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 44
Übertragung auf C-Profil
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 45
Konzept
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 46
Konzept
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 47
Konzept
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 48
Konzept
20 bar
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 49
Konzept
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 50
C-Beam Werkzeug
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1 2
3
Closing
1. Open
2. Compression
3. Fully closed
14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 51
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4 5
6
Opening
4. Mould opening
5. Ejector and
stripper plate
6. Fully ejected
14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 52
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14.6.2012 53
Interdisziplinärer Ansatz: Funktioneller Flechtkern
Swiss VPE Workshop 2012 53
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 54
Übertragung auf funktionellen Flechtkern - Hohlprofil
• Glaskern
• Geflecht
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 55
Interdisziplinärer Ansatz: Erweiterte Kavität für
Injektion
• Werkzeug
• „Fliesskanäle“
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 56
Interdisziplinärer Ansatz: Innendrucksack
• Druck- und
Temperiermedium
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HOLLOW
Kombination aus Biegenachgiebigkeit und Menbransteifigkeit
14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 57
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Reinforcement
FX Core Sealing
14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 58
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FX Core fabrication Braiding on FX Core Injection
Curing Demolding Re-use of FX core
14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 59
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SEAL
SEAL
GATE
GATE
VACUUM/PRESSURE
14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 60
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Umflechten (Uni Stuttgart – IFB)
14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 61
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Strukturtypologien im Leichtbau
14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 63
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Strukturtypologien – Herstellgerecht
Flächige Elemente
–Compression RTM
Profile
–Hohlkörper geflechtet mit
Compression RTM
Knoten
–Pressmassen (thermoplastisch oder
Duromer)
14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 64
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Fazit
• Synergie zwischen schnellen Imprägnierprozess und verbesserten
Eigenschaften.
• Werzeugtechnisch auch in komplexen Geometrien Beherrschbar.
• Textiler Preform bleibt stabil
• Eröffnet das Feld für sehr schnelle Harzformulierungen
Ein vielversprechender Ansatz für die Industrialisierung im Hochleistungs-
Faserverbundleichtbau.
14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 65
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Danksagung
Prof. Dr. Erich Kramer
Dr. Alfons Pascual
Nicolas Eguemann
Silvio Moser
Patrick Böhler
Marcel Siegfried
14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 66
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 67
Point of contact
Institut für Kunststofftechnik
Prof. Clemens Dransfeld - Institutsleiter
Klosterzelgstrasse 2
5210 Windisch
T +41 56 462 45 90
M +41 76 395 86 50
F +41 56 462 45 50
www.fhnw.ch/technik/ikt/
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2. Sommerakademie Composites
2.- 6. Juli 2012 am Institut für Kunststofftechnik
PANTONE 123
PANTONE 151
PANTONE 368
PANTONE 1795
PANTONE 3955
PANT. Red 032
PANT. Orange 021
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Ausgangslage (stark vereinfacht)
• Composites Technologien sind stark interdisziplinär
• Bildungskultur ist disziplinär (Strukturmechaniker oder
Verfahrenstechnik)
Resultat:
• Die ganzheitliche Sichtweise fehlt.
• Kontextwissen fehlt.
• Junge Akademiker im Compositsektor sind unsicher.
8.4.2011 CCEV 86
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Zielsetzung der Sommerakademie
• Brücke schlagen zwischen “Berechnern”
und “Fertigern”
• Sensibilisierung für ganzheitlichen
Blickwinkel
• “Hands-on” mit FE Tools unter Anleitung
arbeiten
• “Hands-on” mit Prepreg in 3-dimensionalen
Tooling arbeiten
• Networking, Austausch untereinander
• Teilnehmerzahl (8-12)
8.4.2011 CCEV 87
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Case
Dünnwandige Rechteckträger für
3-Punktbiegeversuch
Mehrere Werkzeuge vorhanden
8.4.2011 CCEV 88
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Ablauf
Tag 1: Theorie – Auslegung und Berechnung
Tag 2: Praktische Anwendung von
Berechnungssoftware, Bauteil Laminatentwurf.
Tag 3: Werkzeugvorbereitung, Festlegen einer
Laminier-Strategie und Aufbereiten des
Ausgangsmaterials
Tag 4: Laminieren, Ablegen von Out-of-
Autoclave Prepreg, Curing.
Tag 5: Ausformen Bauteilfinish, 3 Punkt
Biegeversuche der Struktur. Vergleich mit
Auslegung. Interpretation und
Zusammenfassung.
8.4.2011 CCEV 89
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Partner
• CAD-FEM (D, A, CH)
• Even Evolutionary Engineering (CH)
• Advanced Composites Group,
Umeco (UK)
8.4.2011 CCEV 90
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Teilnehmerprofil der 1. Sommerakademie
• Luftfahrt Fertigung
• Luftfahrt Engineering
• Raumfahrt Engineering
• Anlagenhersteller
• Techn. Uni. Wiss. MA 2x
• Halbzeughersteller oberes Managment
• Engineeringsoftware Vertrieb
8.4.2011 CCEV 91
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8.4.2011 CCEV 92
Anmeldung via CADFEM
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14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 93
Point of contact
Institut für Kunststofftechnik
Prof. Clemens Dransfeld - Institutsleiter
Klosterzelgstrasse 2
5210 Windisch
T +41 56 462 45 90
M +41 76 395 86 50
F +41 56 462 45 50
www.fhnw.ch/technik/ikt/