KMU-innovativ Entwicklung eines sensorgestützten Harzinfusionsverfahrens zur automatisierten Herstellung hoch komplexer Bauteile aus infusionsoptimierten CFK-Preforms (FiberSense)

Problemstellung
Vor dem Hintergrund der zunehmenden Bedeutung und Elektrifizierung des Radverkehrs als Mittel für die Mobilität der Zukunft, ist eine Flexibilisierung und Effizienzsteigerung des Herstellungsprozesses unabdingbar, um den Produktionsstandort Deutschland zu sichern. Die Fertigung carbonfaserverstärkter Fahrradrahmen wird derzeit durch das qualitativ hochwertige, aber sehr zeit-, energie- und kostenintensive Prepreg-Autoklav-Verfahren dominiert. Bei diesem Verfahren werden mit speziellen Harzen vorimprägnierte textile Gewebe (Prepregs) weitestgehend von Hand in zahlreichen Einzelschichten in Formwerkzeuge eingelegt und anschließend in einem Druckbehälter (Autoklav) unter Temperatur ausgehärtet.

Zielsetzung
Ziel des KMU-innovativ Projektes FiberSense war die Entwicklung eines nachhaltigeren und zugleich wirtschaftlicheren Verfahrens zur Herstellung hochkomplexer Faserverbundbauteile. Durch die Kombination des präzisen und ressourcenschonenden Tailored-Fiber-Placement-Verfahrens (TFP) mit dem voll automatisierbaren Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (RTM) konnte mit hoher Wiederholgenauigkeit die Positionierung und Verwendung trockener, nicht vorimprägnierter Textilien im Bauteil ermöglicht werden. Ein Aushärten des Gewebes im Autoklaven erübrigte sich. Die Integration entsprechender Sensorik ermöglichte eine optimale Prozessauslegung und -überwachung. Am Unterrohr eines Fahrradrahmens wurde demonstriert, dass sich mit der neuen Verfahrenskombination eine automatisierte Produktion hochkomplexer dreidimensionaler Faserverbundbauteile realisieren lässt.

Vorgehensweise
Mit Hilfe des TFP-Verfahrens, bei dem Faserstränge sehr präzise auf ein Trägersubstrat aufgestickt werden, wurden komplexe Halbzeuge (Preforms) automatisiert hergestellt. Ziel war es, mit diesem Verfahren dreidimensionale Geometrien und Hohlstrukturen zu verwirklichen. Im sich anschließenden ebenfalls automatisierbaren RTM-Verfahren wurde das Preform in ein zweiteiliges, verschließbares Formwerkzeug eingelegt und nach Injektion eines Reaktionsharzes ohne Anwendung von Druck ausgehärtet. Die Herausforderungen bestanden im konturlosen Zusammenfügen mehrerer Preforms zu einem Bauteil, der gleichmäßigen Durchtränkung der Preforms mit dem Reaktionsharz sowie in der Auslegung des Prozesses. Mit Hilfe numerischer Simulationen und dem Einsatz von neuronalen Netzen, konnten Angusspunkte vorgeschlagen und der Harzfluss vorhergesagt werden. Die im Werkzeug eingebrachten Druck- und Fließfrontsensoren versorgten das Rechenmodell in Echtzeit mit Messwerten. Basis für die Entwicklung des neuen Verfahrens bildete ein Prozessmodell, welches auf Grundlage von Infusionsversuchen mit verschiedenen Textilmodifikationen, numerischen Simulationen und Durchlässigkeitsversuchen erforscht wurde.

Ergebnisse und Anwendungspotentzial
Es konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von gestickten Sub-Preforms den manuellen Bestückungsaufwand des Formwerkzeuges deutlich reduzierten. Die Entwicklung lässt sich perspektivisch auf andere Bereiche der Sportausrüstungen wie Gleitschirme, Paddel und Schläger übertragen, bei denen eine Gewichtsreduzierung bei gleichbleibend hoher Qualität von Vorteil ist. Es besteht ein hohes Potenzial für weitere Bereiche, insbesondere Medizintechnik, Automotive (beispielsweise im Innenbereich von Wohnmobilen) und Luftfahrt. Hier treffen ein sehr hoher, teilweise stark regulierter Anspruch an die Bauteilqualität, eine zunehmende Bauteilkomplexität durch Spezialanfertigungen sowie ein hoher Individualisierungsgrad aufeinander.

• all ahead composites GmbH
• Faserinstitut Bremen e. V. - (FIBRE)
• Liquisign oHG