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

Problemstellung
Vor dem Hintergrund der zunehmenden Bedeutung des Radverkehrs 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 Formwerkzeuge eingelegt und anschließend in einem Druckbehälter (Autoklav) ausgehärtet.

Zielsetzung
Ziel des KMU-innovativ Projektes FiberSense ist es, ein nachhaltigeres sowie wirtschaftliche-res Verfahren zur Herstellung hochkomplexer Faserverbundbauteile zu entwickeln. Durch die Kombination des präzisen und ressourcenschonenden Tailored-Fiber-Placement-Verfahrens (TFP) mit dem voll automatisierbaren Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (RTM) wird die Ver-wendung trockener, nicht vorimprägnierter Textilien ermöglicht. Ein Aushärten des Gewebes im Autoklaven erübrigt sich. Die Integration entsprechender Sensorik ermöglicht eine optimale Prozessauslegung und -überwachung. Am Unterrohr eines Fahrradrahmens soll demonstriert werden, dass durch den Einsatz des neuen Verfahrens die Produktion auch hochkomplexer dreidimensionaler Faserverbundbauteile automatisiert gelingen kann.

Vorgehensweise
Mit Hilfe des TFP-Verfahrens, bei dem Faserstränge sehr präzise auf ein Trägersubstrat auf-gestickt werden, können komplexe Halbzeuge (Preforms) automatisiert hergestellt werden. Ziel ist es, mit diesem Verfahren dreidimensionale Geometrien und Hohlstrukturen zu verwirk-lichen. Im sich anschließenden ebenfalls automatisierbaren RTM-Verfahren wird das Preform in ein zweiteiliges, verschließbares Formwerkzeug eingelegt und nach Injektion eines Reakti-onsharzes ohne Anwendung von Druck ausgehärtet. Die Herausforderungen des Prozesses bestehen im konturlosen Zusammenfügen mehrerer Preforms zu einem Bauteil, der gleichmä-ßigen Durchtränkung der Preforms mit dem Reaktionsharz sowie in der Überwachung des Aushärtungsprozesses. Dies soll durch eine infusionsoptimierte Verlegung der Faserstränge und so optimale Konstruktion der Preforms als auch durch Einbringung von Sensoren in das Formwerkzeug, zur Überwachung der Harzfließfront, sichergestellt werden. Basis für die Ent-wicklung des neuen Verfahrens bildet ein Prozessmodell, welches auf Grundlage von Infusi-onsversuchen mit verschiedenen Textilmodifikationen, numerischen Simulationen und Durch-lässigkeitsversuchen erforscht werden soll.

Ergebnisse und Anwendungspotentzial
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