Wie Ultraschall das Imprägnieren von Faserrovings verbessert

Wie Ultraschall das Imprägnieren von Faserrovings verbessert

Am DLR wurde eine Imprägniertechnologie entwickelt, die die Herstellkosten von endlosfaserverstärkten thermoplastischen 3D-Druckfilamenten um bis zu 80% reduziert. In die Extruderdüse integriert, schafft das Verfahren in Verbindung mit der additiven Fertigung wirtschaftliche Anwendungsperspektiven für die Industrie.

Die Imprägniertechnologie basiert auf Ultraschall, der in eine thermoplastische Schmelze eingebracht wird, die wiederum einen Faserroving (Faserbündel aus endlosen Einzelfilamenten) umgibt. Der Ultraschall löst die einzelnen Filamente voneinander, so dass eine hohe Imprägnierqualität bei kurzen Prozesszeiten erreicht wird. Das Verfahren funktioniert bei allen kommerziell verfügbaren Fasern und Thermoplasten.

Bild oben: Die Schliffbildaufnahmen zeigen eine sehr gute Faserverteilung und Durchdringung mit Thermoplast eines aufgespreizten 24K (24.000 Einzelfilamente)-Rovings durch das Einbringen von Ultraschall in ein Schmelzebad (unten) verglichen mit konventioneller Imprägnierung (oben) (Quelle. DLR)

Aufgrund des geringen Raum­bedarfs kann die ultraschallbasierte Imprägniertechnologie leicht in schmelzeverarbeitende Prozesse integriert werden. Mögliche Anwendungen reichen von der miniaturisierten Integration in 3D-Druckköpfe über die Einbringung in Wickelprozesse bis zur Halbzeugherstellung.

Im Projekt Endloseffekt wird die neue Imprägniertechnologie in einen Extrusionsprozess integriert. Ein vorhandener Extruder soll dabei alleine durch den Austausch der Düse endlosfaserverstärkte Halbzeuge herstellen, die einen Faservolumengehalt bis 60 % und eine Porosität unter 2 % aufweisen. Der Extruderdüse werden Rovings bis 24K zugeführt und aufgespreizt. Der CFK-Roving wird elektrisch aufgeheizt (Core Heat-Technologie) und anschließend vom Schmelzestrom des Extruders ummantelt und zum Imprägnieren durch eine Ultraschalldurchflusszelle geführt.

Für eine zielgerichtete und schnelle Markteinführung sind sowohl Material- und Halbzeughersteller als auch Anbieter von additiven Fertigungstechnologien in das Projekt involviert. Als indus­trienahe Testumgebung dienen ein Collin ZK 25 E Laborcompounder sowie ein selbst entwickelter 3D-Druckkopf, bestehend aus einem Miniaturextruder und einer Schmelzepumpe.

Gut zu wissen...
Das Projekt ist Bestandteil des Strategiefelds Additive Composite Structures am DLR. Forschungsziel ist, die Fertigungseffizienz durch das Kombinieren herkömmlicher Faserververbund-Fertigungsverfahren mit additiver Fertigung – insbesondere der additiven Extrusion zu verbessern. Dabei wird die gesamte Prozesskette betrachtet. Besondere Beachtung erfahren hierbei die Funktionalisierung von Materialien und die additive Generierung von thermoplastischen, endlosfaserverstärkten Strukturen mittels additiver Extrusion sowie die Erzeugung von endlosfaserverstärkten Halbzeugen oder Freiformstrukturen auf Grundlage einer In-situ-Imprägnierung, wodurch Hochleistungsbauteile aus kostengünstigen Halbzeugen entstehen. Die Forschungsarbeiten dieses Strategiefelds schließen die Themengebiete Prozessintegration, Materialentwicklung und -charakterisierung, Extrusionstechnologie, Qualitätssicherung, Simulations- und Konstruktionsmethodik ein.

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Quelle und weitere Infos: Blogbeitrag

Firmenland

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