Verbesserte Bauteilqualität: Tapelegen mit Laser und Schwingungsanregung

Thermoplastische faserverstärkte Kunststoffe haben das Potenzial direkt bei der Formgebung belastbare Fügeverbindungen zwischen den Halbzeugen einzugehen. Ausgenutzt wird dies bei dem Verfahren des Automated Fiber Placement (AFP), bei dem Tapes lagenweise platziert und so additiv zu einer Gesamtstruktur gefügt werden.

Die Herausforderung in der autoklavfreien Fertigung besteht allerdings darin, gleichwertige mechanische Eigenschaften des fertigen Bauteils zu erreichen. Dabei steht im AFP eine wesentlich geringere Fügezeit zur Verfügung als im Autoklavprozess, sodass der zeitkritische Fügeprozess in kürzerer Zeit ablaufen muss. Des Weiteren spielt die Temperaturhistorie eine entscheidende Rolle für eine hohe Bauteilqualität.

Wie lassen sich recyclingfähige thermoplastische Faserverbundwerkstoffe energieeffizient herstellen? Dieser Frage ging das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover in Zusammenarbeit mit dem Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik (PuK) der TU Clausthal und dem Institut für Flugzeugbau und Leichtbau (IFL) der TU Braunschweig in den vergangenen vier Jahren im Rahmen des interdisziplinären Projekts JoinTHIS nach.

Bei vielen AFP-Systemen wird heute zum Erreichen und Halten der Schmelzetemperatur entweder das Material überhitzt oder die Legegeschwindigkeit erhöht. Im Gegensatz dazu besitzt die am IFW entwickelte AFP-Maschinentechnologie zwei aktive Module, mit deren Hilfes sich die Temperatur während des gesamten Prozessesablaufs gezielt steuern lässt. Ein segmentierter VCSEL-Diodenlaser erwärmt das Material individuell, das heißt einzelne Tapezonen im hoher Geschwindigkeit (Millisekunden). Untersuchungen zeigen, dass das bis in die Randbereiche möglich ist. Eine piezoelektrisch aktuierte Konsolidierungsrolle bringt hochfrequente Schwingungen in die zu fügenden Tapes ein. Ähnlich wie beim Ultraschallschweißen von Kunststoffen kann so durch die Schwingungsanregung beim Zusammenpressen zusätzliche Wärme in den Tapes dissipiert werden.

Das gleichzeitige Herabsetzen der Viskosität in der Fügezone führt zu einer besseren Verbindung der Tapes. Erste Ergebnisse zeigen hier weniger Poren – ein Anzeichen für eine verbesserte Fügung ist. Zusätzlich wird aktuell eine Nachkonsolidiereinheit konzeptioniert, die ein gezieltes Abkühlen der Tapes ermöglicht. Hierdurch soll der Kristallisationsgrad des Laminates gezielt eingestellt werden – ein entscheidender Punkt für die mechanischen Eigenschaften der Struktur.

In umfangreichen Versuchsreihen untersuchten die Forschenden die Wechselwirkungen der einzelnen Module des entwickelten Legekopfes mit der resultierenden Bauteilqualität von ebenen Faserverbundlaminaten. Gestützt durch mechanische und optische Charakterisierungen der hergestellten Probekörper konnte gezeigt werden, dass die entwickelte in-situ AFP Technologie thermoplastischer Faserverbundstrukturen produzieren kann. Deren Laminatqualitäten aus thermoplastischen Faserverbundstrukturen sind dabei vergleichbar denjenigen von im duroplastischen AFP-Verfahren und durch Autoklav-Prozesse hergestellten Laminaten.

Neben der Untersuchung der in-situ Herstellung ebener Laminate wurde zusätzlich auch die Herstellung dreidimensionaler Strukturen untersucht und hiermit die Basis zur in-situ Fertigung zylindrischer Medienbehältern für den Einsatz in zukünftigen Mobilitätsanwendungen zur Reduktion des CO2 Ausstoßes geschaffen.

Bild oben: Begleitend zum Versuchsstandsaufbau und der Inbetriebnahme des Fertigungssystems wurden Modelle der einzelnen Module aufgebaut und in einen digitalen Prozesszwilling überführt. (Quelle: IFW Leibniz Uni Hannover)


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