Kontinuierliche kraftflussgerechte Textiltechnologien für Leichtbaustrukturen in Großserie: Ergebnisse aus dem BMBF-Verbundprojekt KonText [1. Aufl.] 9783662610022, 9783662610039

Citation preview

Zukunftstechnologien für den multifunktionalen Leichtbau

Klaus Dilger Hrsg.

Kontinuierliche kraftflussgerechte Textiltechnologien für Leichtbaustrukturen in Großserie Ergebnisse aus dem BMBF-Verbundprojekt KonText

Zukunftstechnologien für den multifunktionalen Leichtbau Reihe herausgegeben von Open Hybrid LabFactory e.V. Wolfsburg, Deutschland

Ziel der Buchreihe ist es, zentrale Zukunftsthemen und aktuelle Arbeiten aus dem Umfeld des Forschungscampus Open Hybrid LabFactory einer breiten Öffentlichkeit zugänglich zu machen. Es werden neue Denkansätze und Ergebnisse aus der Forschung zu Methoden und Technologien zur Auslegung und großserienfähigen Fertigung hybrider und multifunktionaler Strukturen vorgestellt. Insbesondere gehören neue Produktions- und Simulationsverfahren, aber auch Aspekte der Bauteilfunktionalisierung und Betrachtungen des integrierten Life-Cycle-Engineerings zu den Forschungsschwerpunkten des For­ schungscampus und zum inhaltlichen Fokus dieser Buchreihe. Die Buchreihe umfasst Publikationen aus den Bereichen des Engineerings, der Auslegung, Produktion und Prüfung materialhybrider Strukturen. Die Skalierbarkeit und zukünftige industrielle Großserienfähigkeit der Technologien und Methoden stehen im Vordergrund der Beiträge und sichern langfristige Fortschritte in der Fahrzeugentwicklung. Ebenfalls werden Ergebnisse und Berichte von Forschungsprojekten im Rahmen des durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungscampus veröffentlicht und Proceedings von Fachtagungen und Konferenzen im Kontext der Open Hybrid LabFactory publiziert. Die Bände dieser Reihe richten sich an Wissenschaftler aus der Material-, Produktionsund Mobilitätsforschung. Sie spricht Fachexperten der Branchen Technik, Anlangen- und Maschinenbau, Automobil & Fahrzeugbau sowie Werkstoffe & Werkstoffverarbeitung an. Der Leser profitiert von einem konsolidierten Angebot wissenschaftlicher Beiträge zur aktuellen Forschung zu hybriden und multifunktionalen Strukturen. This book series presents key future topics and current work from the Open Hybrid LabFactory research campus funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) to a broad public. Discussing recent approaches and research findings based on methods and technologies for the design and large-scale production of hybrid and multifunctional structures, it highlights new production and simulation processes, as well as aspects of component functionalization and integrated life-cycle engineering. The book series comprises publications from the fields of engineering, design, production and testing of material hybrid structures. The contributions focus on the scalability and future industrial mass production capability of the technologies and methods to ensure long-term advances in vehicle development. Furthermore, the series publishes reports on and the findings of research projects within the research campus, scientific papers as well as the proceedings of conferences in the context of the Open Hybrid LabFactory. Intended for scientists and experts from the fields of materials, production and mobility research; technology, plant and mechanical engineering; automotive & vehicle construction; and materials & materials processing, the series showcases current research on hybrid and multifunctional structures.

Weitere Bände in dieser Reihe http://www.springer.com/series/16103

Klaus Dilger Hrsg.

Kontinuierliche kraftflussgerechte Textiltechnologien für Leichtbaustrukturen in Großserie Ergebnisse aus dem BMBF-Verbundprojekt KonText

Hrsg. Klaus Dilger Braunschweig, Deutschland

ISSN 2524-4787     ISSN 2524-4795 (electronic) Zukunftstechnologien für den multifunktionalen Leichtbau ISBN 978-3-662-61002-2    ISBN 978-3-662-61003-9 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-61003-9 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany

Forschungscampus Open Hybrid LabFactory

Abschlussbericht des Forschungs-Verbundprojekts

KonText Kontinuierliche kraftflussgerechte Textiltechnologien für Leichtbaustrukturen in Großserie Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative „Forschungscampus – öffentlich-private Partnerschaft für Innovationen“ gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autorinnen und Autoren. Projektkonsortium: 02 PQ5123 02 PQ5124 02 PQ5122 02 PQ5120 02 PQ5121 - Assoziiert -

- Assoziiert -

Volkswagen AG KARL MAYER Technische Textilien GmbH LSE – Lightweight Structures Engineering GmbH Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig – Institut für Füge- und Schweißtechnik Cetex Institut für Textil- und Verarbeitungsmaschinen gemeinnützige GmbH Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. für ihr Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) – Projektgruppe „Technologietransfer Produktionstechnik im Dreiländereck“, Zittau DowAksa Advanced Composites Holdings B.V., Amsterdam, Niederlande

Laufzeit: 01.01.2015 bis 31.12.2018

V

VI

Forschungscampus Open Hybrid LabFactory

Die Dokumentation stellt die Ergebnisse aus einem Forschungs-Verbundprojekt dar. Verantwortlich für den Inhalt sind die jeweilig genannten Autoren. Ergebnisse, Meinungen und Schlüsse dieses Buches sind nicht notwendigerweise die der Volkswagen AG, KARL MAYER Technische Textilien GmbH, LSE – Lightweight Structures Engineering GmbH, Cetex gGmbH. The documentation presents the results of a joint research project. The respective authors are responsible for the content. The results, opinions or conclusions of this book are not necessarily those of the Volkswagen AG, KARL MAYER Technische Textilien GmbH, LSE – Lightweight Structures Engineering GmbH, Cetex gGmbH.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung����������������������������������������������������������������������������������������������������������������  1 Markus Mannig 2 Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Beginn des Vorhabens��������������  3 Hans-Jürgen Heinrich 3 Projektziele ������������������������������������������������������������������������������������������������������������  9 Enrico Körner und Thomas Heinecke 3.1 Zielbauteile, Anforderungen ������������������������������������������������������������������������  10 3.2 Anlagentechnik ��������������������������������������������������������������������������������������������  11 3.3 Textiltechnische Herausforderungen und Umsetzungsmöglichkeiten����������  14 4 Voruntersuchungen������������������������������������������������������������������������������������������������ 19 Daniel Nebel, Holg Elsner und Markus Mannig 4.1 Materialauswahl und Charakterisierung ������������������������������������������������������  20 4.1.1 Materialauswahl��������������������������������������������������������������������������������  20 4.1.2 Rheologie ausgewählter Matrixmaterialien��������������������������������������  21 4.1.3 Voruntersuchungen zur thermoplastischen Imprägnierung kohlenstofffaserverstärkter Strukturen����������������������������������������������  22 4.1.4 Charakterisierung von hybriden Glas- und Kohlenstofffasermultiaxialgelegen ��������������������������������������������������  25 4.2 Optimierung und Drapiersimulation ������������������������������������������������������������  27 4.3 Grenzflächencharakterisierung ��������������������������������������������������������������������  32 4.3.1 Grundlagen����������������������������������������������������������������������������������������  32 4.3.2 Benetzung ����������������������������������������������������������������������������������������  32 4.3.3 Faser-Matrix-Haftung ����������������������������������������������������������������������  38 5 Entwicklung Legetechnologie ������������������������������������������������������������������������������ 41 Hans-Jürgen Heinrich und Thomas Heinecke 5.1 Kettfadenversatzmodul����������������������������������������������������������������������������������  42 5.1.1 Lösungskonzepte������������������������������������������������������������������������������  42 5.1.2 Vorversuche��������������������������������������������������������������������������������������  45

VII

VIII

Inhaltsverzeichnis

5.1.3 Umsetzung Anlagentechnik��������������������������������������������������������������  47 5.1.4 Optimierung Legeverhalten��������������������������������������������������������������  55 5.2 Schussfadenversatzmodul ����������������������������������������������������������������������������  57 5.2.1 Prinziplösungen und Konzeptauswahl����������������������������������������������  57 5.2.2 Umsetzung Schussfadenmodul ��������������������������������������������������������  65 5.2.3 Lösungskonzepte zur Schussfadenfixierung ������������������������������������  69 5.2.4 Entwicklung Fixiertechnologie und maschinenbautechnische Umsetzung����������������������������������������������������������������������������������������  72 5.2.5 Optimierung Legeverhalten��������������������������������������������������������������  74 5.3 Musterprogrammierung��������������������������������������������������������������������������������  77 5.3.1 Kettfadenversatz��������������������������������������������������������������������������������  77 5.3.2 Schussfadenversatz ��������������������������������������������������������������������������  80 6 Halbzeug- und Bauteilherstellung������������������������������������������������������������������������ 83 Daniel Nebel 6.1 Bauteilstudie Sitzdurchlade��������������������������������������������������������������������������  85 6.1.1 Referenzstruktur��������������������������������������������������������������������������������  85 6.1.2 Konzeption und Berechnung einer belastungsgerechten Durchlade������������������������������������������������������������������������������������������  87 6.1.3 Potenzial- und Wirtschaftlichkeitsanalyse����������������������������������������  90 6.2 Halbzeug- und Bauteilherstellung����������������������������������������������������������������  95 6.2.1 Anwendung der Multiaxialgelegetechnologie mit variabler Kett- und Schussfadenversatzverstärkung����������������������������������������  95 6.2.2 Textile Fertigung der belastungsgerechten Durchlade����������������������  98 6.2.3 Thermoplastische Imprägnierung von MAG-K/S-V-Textilien in Großserie������������������������������������������������������������������������������������������ 102 6.2.4 Herstellung von thermoplastischen Halbzeugen einer belastungsgerechten Durchlade�������������������������������������������������������� 104 6.2.5 Demonstratorfertigung���������������������������������������������������������������������� 108 7 Zusammenfassung/Ausblick������������������������������������������������������������������������������� 113 Markus Mannig Veröffentlichungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

Über die Autoren

Herr Dr. Enrico Körner  Volkswagen Aktiengesellschaft, Wolfsburg, Deutschland Herr Thomas  Heinecke  KARL MAYER Technische Textilien GmbH, Chemnitz, Deutschland Herr Holg  Elsner  LSE  – Lightweight Structures Engineering GmbH, Chemnitz, Deutschland Herr Markus  Mannig  Technische Universität Braunschweig, Institut für Füge- und Schweißtechnik, Braunschweig, Deutschland Herr Hans-Jürgen Heinrich  Cetex Institut für Textil- und Verarbeitungsmaschinen gemeinnützige GmbH, Chemnitz, Deutschland Herr Daniel  Nebel  Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Fraunhofer-Projektzentrum Wolfsburg, Wolfsburg, Deutschland

IX

Abkürzungsverzeichnis

12K, 24K, 50K, etc.

Filamentanzahl im Kohlenstofffaserroving, angegeben in Tsd. CAD Computer Aided Design CF Carbonfaser CFK Carbonfaser verstärkter Kunststoff UD Unidirektional FPP Fibre Patch Preforming FVK Faserverbundkunststoffe KFV Kettfadenversatz KV Kettfadenversatz MAG-K/S-V Multiaxial-Gelegetechnik mit Kett- und Schussfadenversatz MAG-KV Multiaxial-Gelegetechnik mit Kettfadenversatz MSV Mehrschichtverbunde PA6 Polyamid 6 PA6.6 Polyamid 6.6 PBT Polybutylenterephthalat PP Polypropylen SFV Schussfadenversatz SV Schussfadenversatz TFP Tailored Fibre Placement

XI

1

Einleitung Markus Mannig

Zusammenfassung

Das wesentliche Anliegen des Verbundprojektes KonText war die Reduzierung der Kosten von FVK-Bauteilen durch die Bereitstellung eines textilen Fertigungsprozesses und die nachfolgende Herstellung kraftflussgerechter thermoplastischer Faserverbundbauteile. In diesem Kapitel werden Problemstellung und Projektziele formuliert. Das wesentliche Anliegen des Verbundprojektes KonText war die Reduzierung der Kosten von FVK-Bauteilen durch die Bereitstellung eines textilen Fertigungsprozesses und die nachfolgende Herstellung kraftflussgerechter thermoplastischer Faserverbundbauteile. Hierzu war geplant, die gesamte Prozesskette von der C-Faser-Optimierung über die Fertigungs- und Struktursimulation von kraftflussgerechten Textilien sowie Anlagenentwicklung und -erprobung bis zur Herstellung der Bauteile mittels klassischer Großserientechnik „Umformen“ bereitzustellen. Das Verbundprojekt wurde im Rahmen der Forschungs­ campus-Initiative „Open Hybrid LabFactory“ durchgeführt. Problemstellung Der Einsatz klassischer FVK-Materialien mit duromerer Matrix in der automobilen Großserie wird trotz ihres großen Leichtbaupotenzials durch die kosten- und zeitaufwendige Fertigung behindert. Dies ist im Wesentlichen auf die energieintensive Herstellung, die

M. Mannig (*) Technische Universität Braunschweig, Institut für Füge- und Schweißtechnik, Braunschweig, Deutschland E-Mail: [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 K. Dilger (Hrsg.), Kontinuierliche kraftflussgerechte Textiltechnologien für Leichtbaustrukturen in Großserie, Zukunftstechnologien für den multifunktionalen Leichtbau, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61003-9_1

1

2

M. Mannig

hohen Verschnittkosten und die verhältnismäßig aufwendige Prozesstechnologie (schlechte Automatisierbarkeit) zurückzuführen. Ein Lösungsansatz zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit ist die Nutzung klassischer großserientechnischer Fertigungsverfahren (z. B. Umformen) für den Einsatz thermoplastischer Matrixsysteme sowie die angepasste, kraftflussgerechte Fertigung der Preforms. Neben der Entwicklung der Anlagentechnik zur effizienten Fertigung der kraftflussgerechten Textilien inklusive deren Qualitätssicherung ergeben sich aus der Verwendung thermoplastischer Matrices verschiedene Herausforderungen, wie etwa die Kompatibilität von Kohlenstofffaser und Matrix oder die effektive Imprägnierung und Umformung der Textilien. Projektziele Das Verbundprojekt „Kontinuierliche kraftflussgerechte Textiltechnologien für Leichtbaustrukturen in Großserie (KonText)“ hatte zum Ziel, eine Produktionstechnologie bereitzustellen, mit der es möglich ist, lastpfadgerechte, thermoplastische Faserverbundbauteile kosteneffizient mit hoher Qualität herzustellen. Bezüglich quantifizierbarer Kennwerte war angestrebt, ein Bauteil in Faserverbundbauweise zu fertigen, das 25 % leichter ist als das aktuelle Referenzbauteil und um 30 % günstiger als in klassischer CFK-Fertigung.

2

Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Beginn des Vorhabens Hans-Jürgen Heinrich

Zusammenfassung

Zur Einordnung der im Laufe des Verbundprojektes KonText entwickelten Technologien wird im Folgenden ein Überblick über den relevanten Stand der Technik ausgeführt. Hierzu sind verschiedene Fertigungsverfahren zur endkonturnahen und belastungsgerechten Herstellung von Hochleistungstextilien gegenübergestellt und unter anderem mit ihren Quellen bzw. unterschiedlichen Patenten belegt. Im Wesentlichen werden hierzu textile Legetechniken mit Versatz, Tapelegen, Stricken, Wirken, Weben und Flechten betrachtet und bezogen auf die spezielle Anwendung in komplexen Bauteilen erläutert. Im Themengebiet der Fertigungskette zur Herstellung der textilen Verstärkungsstruktur ist der Stand der Technik für die Herstellung endkonturnaher und belastungsgerechter Textilien für das Projekt KonText relevant. Als Technologie, die eine endkonturnahe und belastungsgerechte Ablage der trockenen Verstärkungsfaserrovings erlaubt, steht zurzeit nur die Sticktechnologie in Form des Tailored Fiber Placement, entwickelt am Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V. (IPF), zur Verfügung, die aber in ihrer Verlegegeschwindigkeit für eine Großserienfertigung viel zu langsam ist. Andere Technologieansätze sind aus Offenlegungsschriften ersichtlich und angedacht, am Markt aber nicht verfügbar [1].

H.-J. Heinrich (*) Cetex Institut für Textil- und Verarbeitungsmaschinen gemeinnützige GmbH, Chemnitz, Deutschland E-Mail: [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 K. Dilger (Hrsg.), Kontinuierliche kraftflussgerechte Textiltechnologien für Leichtbaustrukturen in Großserie, Zukunftstechnologien für den multifunktionalen Leichtbau, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61003-9_2

3

4

H.-J. Heinrich

Darüber hinaus bieten zur technologischen Umsetzung komplexer, endkonturnaher Bauteile die textilen Verfahren, wie etwa Fibre Patch Preforming (FPP), Multiaxial-­ Gelegetechnik mit Kettfadenversatz (MAG-KV), Tapelegen, Mehrlagenstricken, Konturenwirken, 3D-Weben und 3D-Flechten, ein großes Potenzial und erlauben die Herstellung konturierter 2D- und 3D-Halbzeuge (vgl. etwa [1–4]). Bei dem TFP-Verfahren ist die flexible, beanspruchungsgerechte Fadenanordnung ein wesentlicher Vorteil, der aber bei sehr großen Preformen lange Fertigungszeiten zur Folge hat [5, 6]. Analoges gilt für den FPP-Prozess, wobei hier im Unterschied zum TFP ein diskontinuierliches Verfahren vorliegt (s. [6, 7]). Die 3D-Web-, 3D-Strick- und 3D-Flechtverfahren weisen demgegenüber eine hohe Produktivität auf, sind dafür aber in der Fadenanordnung und der Dimension engen Restriktionen unterworfen (z. B. [5, 8, 9]). Auch mit der Nähtechnik lassen sich endkonturgenaue, hochintegrierte Preformen herstellen, wobei die Handhabung der biegeschlaffen Halbzeuge sowie deren faserschonende Verarbeitung eine besondere Herausforderung darstellt (vgl. [2, 3, 8, 10]). In der Patentliteratur waren zum Stand der Technik zu Beginn des Vorhabens nachfolgende Verfahrensansätze aufgezeigt. Tailored-Fiber-Placement-Technologie (TFP) [11] DE 19628388 A1 „Kraftflußgerechter, multiaxialer, mehrlagiger Faservorformling mit zumindest bereichsweiser Z-Achsen-Verstärkung und ein Verfahren zu seiner Herstellung“ Anmelder: IPF Institut für Polymerforschung Dresden, Anmeldetag: 13.07.1996 Das Patent hat zum Inhalt, mittels der TFP-Technologie kraftflussgerechte, multiaxiale, mehrlagige Faservorformlinge mit zumindest bereichsweiser Z-Achsen-Verstärkung für hochbeanspruchte Faserverbundbauteile herzustellen. Dafür werden kraftflussgerecht angeordnete Verstärkungsfasern in X- und Y-Richtung auf einer Trägerlage mittels Sticken in mehreren Lagen übereinander angeordnet. Der Vorteil des Stickverfahrens ist, dass sowohl vorwärts wie auch rückwärts gearbeitet werden kann und somit geschlossene Schlaufen, z. B. um Lochverstärkungen, gearbeitet werden können. Nachteile des Verfahrens sind, dass immer nur ein Roving verlegt werden kann, dass das Verfahren langsam, also nicht großserientauglich ist, dass auf Grund der Tischgröße von Stickmaschinen die Bauteilabmessungen begrenzt sind, es vorwiegend für kleinere Bauteile geeignet ist und zur Fixierung jedes neu gelegten Rovings werden die darunterliegenden Rovings wieder durchstochen, so dass es zu Faserschädigungen kommt (Abb. 2.1). Steuersysteme zur Fadenmanipulation [12] WO 8400351 A1 Method and Apparaturs for Fiber Lamination Anmelder: The Boeing Company, Anmeldetag: 19.07.1982

2  Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Beginn des Vorhabens

5

Abb. 2.1  Legemuster einer Zug/Druck-Strebe

Abb. 2.2  Method and Apparaturs for Fiber Lamination

Ziel der Erfindung ist es, imprägnierte Einzelrovings separat zu führen und diese für den eigentlichen Laminiervorgang zusammenzuführen, damit sie sich nach der Andruckwalze miteinander verbinden. Diese Fadenmanipulation ist nicht für eine kraftflussgerechte Verlegung von Einzelrovings, sondern zur Abbildung eines geschlossenen, miteinander verbundenen Faserbandes aus imprägnierten Einzelrovings geeignet (Abb. 2.2). [13] DD 256882 A1 „Steuersystem für Kettfäden“ Anmelder: TU Dresden, Anmeldetag: 31.12.1986 In der Patentschrift wird ein Steuersystem für Kettfäden an maschenbildenden Textilmaschinen, insbesondere Kettenwirkmaschinen und Nähwirkmaschinen beschrieben, welche eine höhere Musterungs- und Strukturvariabilität ohne größeren Aufwand an zusätzlichen Legeschienen zulässt. Das Steuersystem für Kettfäden wird mit einem die Arbeitsbewegung ausführenden Kettfadenführer und einem mit Fadenführungen besetzten Fadenführerblock realisiert, der quer zur Arbeitsrichtung verschiebebeweglich angeordnet ist (Abb. 2.3).

6

H.-J. Heinrich

Abb. 2.3  Steuersystem für Kettfäden

Abb. 2.4  Steuersystem für Schussfäden

Ziel der Erfindung war, die Mustervielfalt von Kettenwirkmaschinen und Nähwirkmaschinen ohne zusätzliche Legeschienen zu erhöhen. Eine kraftflussgerechte Verlegung von CF-Rovings ist damit nicht möglich. [14] DD 256883 A1 „Steuersystem für Schußfäden“ Anmelder: TU Dresden, Anmeldetag: 31.12.1986 In der Patentschrift wird ein Steuersystem für Schussfäden beschrieben, mit welchem die Musterungsvielfalt erhöht oder völlig neue Muster erzeugt werden können. Wie in (Abb. 2.4, Position 3) dargestellt, befinden sich diesmal die Fadenführerblöcke auf einem Schusslegewagen. Zielstellung analog [12]. Die Patentschriften [15] DD 256884 A1 „Varianten von Veränderungssystemen für Fäden oder Fadenscharen“

2  Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Beginn des Vorhabens

7

Abb. 2.5  Führungsvorrichtung zum Führen einer Mehrzahl von Fäden zur Herstellung eines Faserverbundbauteils

[16] DE 3800244 A1 „Steuersystem für Schußfäden“ 08.01.1988 [17] DE 3800320 A1 „Steuersystem für Schußfäden“ 08.01.1988 [18] DE 3800340 A1 „Steuersystem für Schußfäden“ 08.01.1988 zeigen lediglich weitere Varianten von Veränderungssystemen für Fäden oder Fadenscharen, insbesondere Schussfäden, mit der gleichen Zielstellung wie [12, 13] auf. [19] DE 10 2012 020 624 A1 „Führungsvorrichtung zum Führen einer Mehrzahl von Fäden zur Herstellung eines Faserverbundbauteils“ Anmelder: W. Hoeck, Anmeldetag: 19.10.2012 Die Patentanmeldung beschreibt eine Führungsvorrichtung zum Führen einer Mehrzahl von Fäden zur Herstellung eines Verbundbauteils. Das Führungselement weist quer zur Bewegungsrichtung der Fäden Durchlässe für die Fäden auf und eine Verstelleinrichtung zum Verstellen der Abstände zwischen den Durchlässen. Erfindungsgemäß wurde das Führungselement als eine Schraubenfeder ausgeführt, deren Zwischenräume zwischen den Windungen die Durchlässe bilden (Abb. 2.5). [20] EP 1977882 A1 (DE 10 2008 016 989 A1, Priorität: 02.04.2007) „Verfahren und Vorrichtung zur partiellen Verstärkung einer Warenbahn“ Anmelder: Cetex Institut für Textil und Verarbeitungsmaschinen gGmbH, Anmeldetag: 01.04.2008 Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur partiellen Verstärkung von Warenbahnen, vorzugsweise multiaxialen Gelegebahnen. Mit dem beschriebenen Verfahren werden die quasi endlosen Rovings gruppenweise kontinuierlich auf einer Warenbahn abgelegt, wobei jeder Gruppe von Rovings entsprechend einer vorgegebenen Kontur Abschnitte mit unterschiedlichen Verlauf der Rovings zur Längsachse der Warenbahn und einen unterschiedlichen Grad der Bedeckung aufweisen kann. Die Verlegeeinrichtung ist so ausgeführt, dass diese vorzugsweise aus zwei Verlegemechanismen besteht, die die gesamte Breite der Warenbahn überfahren können und unabhängig voneinander betreibbar

8

H.-J. Heinrich

Abb. 2.6  Verfahren und Vorrichtung zur partiellen Verstärkung einer Warenbahn

sind, so dass sich Rovingscharen auch kreuzen können. Die so unmittelbar vor der Nähwirkstelle verlegten Fadenscharen werden anschließend mit dem vorher gebildeten Grundwarengelege vernäht und somit fixiert (Abb. 2.6). Der Nachteil dieser Lösung ist, dass die Flexibilität eingeschränkt ist, da sich jeweils nur Gruppen von Rovings (Rovingscharen) gemeinsam verändern lassen und es keine Möglichkeit der Einzelrovingmanipulation gibt. Dennoch bietet dieses Patent und die bei Cetex prototypisch umgesetzte Lösung eine gute Grundlage für die in KonText zu entwickelnde Lösung. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl von Patenten zur endkonturnahen Verlegung von Rovings, wobei dabei die Rovings in der Regel in frei wählbaren Richtungen nur gerade ohne Winkelversatz verlegt werden können.

3

Projektziele Enrico Körner und Thomas Heinecke

Zusammenfassung

Im Folgenden wird die Zielstellung des Projektes im Detail ausgeführt und die Motivation anhand einer beispielhaften Anwendung in Form des ausgewählten Demonstratorbauteils verdeutlicht. Hierzu ist das Kapitel einerseits in die Darstellung des Zielbauteils und andererseits in die Zielstellung der Weiterentwicklung der Anlagentechnik und damit der textilen Fertigungstechnologie unterteilt. Das ausgewählte und hier genauer beschriebene Bauteil fokussiert auf die wirtschaftliche Nutzung von Hochleistungsfasern in einer günstigen Grundstruktur mit starker Verschnittreduzierung und Beibehaltung einer hohen Produktionsgeschwindigkeit zur Demonstration der Großserientauglichkeit. Dies bedeutet Herausforderungen für die Weiterentwicklung der genutzten Anlagen und textilen Fertigungstechnologie durch Module, deren zu erfüllende Funktionen durch die geometrischen und technischen Anforderungen der ausgelegten Bauteile vorgegeben werden. Gleichzeitig muss berücksichtigt werden, dass die Steuerung und Programmierung dieser Funktionalitäten ausgebaut und in die bestehende Anlage integriert werden kann.

E. Körner (*) Volkswagen Aktiengesellschaft, Wolfsburg, Deutschland E-Mail: [email protected] T. Heinecke KARL MAYER Technische Textilien GmbH, Chemnitz, Deutschland E-Mail: [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 K. Dilger (Hrsg.), Kontinuierliche kraftflussgerechte Textiltechnologien für Leichtbaustrukturen in Großserie, Zukunftstechnologien für den multifunktionalen Leichtbau, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61003-9_3

9

10

E. Körner und T. Heinecke

Faserverbundkunststoffe (FVK) besitzen ein hohes Leichtbau-Potenzial beispielsweise für Strukturbauteile im Automobilbau im Bereich geringer Stückzahlen und Kleinserien, aber auch darüber hinaus. Durch den Einsatz von Hochleistungsfasern kann eine signifikante Gewichtsreduzierung erreicht werden, und die Verwendung von thermoplastischen Ma­ trixsystemen in Kombination mit großserienfähigen Fertigungsprozessen ermöglicht Zy­ kluszeiten, mit denen grundsätzlich Großserie abgebildet werden kann. Ziel ist es, dass kosteneffizient hergestellte Fahrzeugbauteile, z. B. Klappenvarianten oder Bodenstrukturen, im Vergleich zur heutigen Produktion deutlich leichter werden.

3.1

Zielbauteile, Anforderungen

Die Grundvoraussetzung für eine strukturelle Verwendung von thermoplastischen Halbzeugen liegt auf den einzuhaltenden Lastfällen bei der konstruktiven Auslegung der ausgewählten Primärstruktur. Am Beispiel einer Bodenstruktur wird deutlich, dass durch Integralbauweise mit thermoplastischen FVK ein Mehrwert gegenüber konventionellen Bodenstrukturen generiert werden kann (Abb. 3.1). Vor allem die Belastungen im dynamischen und hochdynamischen Beanspruchungsfall werden beispielsweise bei der Auslegung eines Fahrzeugunterbodens vorrangig untersucht. Die Hauptbeanspruchungen an ein Bauteil bilden neben prozesstechnischen Randbedingungen die Grundlage für die konstruktive Bauteilgestaltung. In Abb. 3.1 sind exemplarisch zwei Evolutionsstufen für die Konstruktion einer Bodengruppe dargestellt. In der Evolutionsstufe 1 wird zum einen das Konzept einer zweischaligen Grundstruktur deutlich und zum anderen der Einsatz von Rippenstrukturen in unterschiedlichster

Abb. 3.1  Integralbauweise Bodenstruktur [23]

3 Projektziele

11

Abb. 3.2  Demonstrator Bodenausschnitt mit lokalen Lastpfaden

­ usprägung, vor allem im Bereich der Sitzquerträgeraufnahmen und im Bereich des MitA teltunnels. Die Evolutionsstufe 4 zeigt eine Weiterentwicklung unter Berücksichtigung von Fertigungs-, Gewichts- und Kostenrestriktionen (Abb. 3.1) und sieht den Einsatz von FVK-Halbzeugen mit lokalen kraftpfadorientierten Einlegern zur Versteifung der Gesamtstruktur vor [23]. Am Beispiel des Fahrzeugunterbodens als FVK-Metall-Hybridstruktur, in dem lokale Lastpfade durch Hochleistungsverstärkungsfasern (Abb.  3.2) abgebildet werden sollen, wird deutlich, dass durch die angestrebte Technologieentwicklung im Projekt KonText kostenintensive Hochleistungsfasern in einem optimalen Verhältnis von Material zu Gewichtseinsparung eingesetzt werden können. Ein wesentliches Ziel ist dabei die Bewertung der Wirtschaftlichkeit der daraus resultierenden Prozesskette, d. h. eine Reduzierung des Verschnitts von Hochleistungsfasern im Prozess ohne eine Reduktion der Produktionsgeschwindigkeit im Vergleich zur konventionellen Herstellung. 30 bis 50  % Verschnitt können beispielsweise beim Einsatz konventioneller textiler Halbzeuge zur Herstellung von FVK-Bauteilen anfallen. Der Einsatz von endkonturnahen, verschnittoptimierten Halbzeugen kann wiederum zu deutlich niedrigeren Produktionsgeschwindigkeiten führen.

3.2

Anlagentechnik

Thomas Heinecke Die im Produktportfolio befindliche Technologie der Fa. KARL MAYER Technische Textilien GmbH ist im Wesentlichen ausgerichtet auf die Herstellung von Gelegestrukturen für Faserverbundmaterialien. Bedeutendes Kennzeichen ist hierbei die hohe Produktivität in der textilen Flächenherstellung. Die für die unterschiedlichen Produkte notwendigen Module können zu Anlagen in verschiedenen Ausführungen kombiniert werden. Besonde-

12

E. Körner und T. Heinecke

res Augenmerk liegt in der Realisierung spezifischer Anforderungen und enger Zusammenarbeit mit den in diesem Markt tätigen Kunden. Hintergrund für die ­kontinuierliche Weiterentwicklung der Anlagentechnik ist das Agieren in einem sich sehr schnell entwickelnden Markt und der Anspruch eines Technologieführers für Gelegemaschinen in Verbindung mit Wirkverfahren zur Flächenbildung. Eine Vertiefung der Marktdurchdringung durch Funktionserweiterung des Herstellungsverfahrens und damit verbunden eine Festigung der Marktposition unterstützt die strategische Ausrichtung der Fa. KARL MAYER Technische Textilien GmbH. Im vorliegenden Projekt sollte die vorhandene Technologie mit neuartigen Funktionsmodulen ergänzt werden, welche speziell für den effizienten Einsatz kostenintensiver Hochleistungsfasern in Verbindung mit produktiver Anlagentechnik das Produktportfolio ergänzt (Abb. 3.3). Das Entwicklungsziel des Projektes verknüpfte eine neue Technologie von speziellen Konstruktionen verschiedener Faserlagen und den Einsatz unterschiedlicher Faserarten (z. B. Glasfaser und Carbonfaser) mit der Notwendigkeit eines kostenoptimierten Herstellungsprozesses. Das Einsatzfeld eines großserientauglichen und automatisierten Verfahrens war maßgebliche Aufgabe. Im Serienbereich und vor allem im automobilen Umfeld ist Kosteneffizienz ein bestimmender Treiber der Entwicklungen. Der optimierte, und nur dort, wo notwendige, Einsatz kostenintensiver Carbonfasern spielt hier eine tragende Rolle. Stichwort für Entwicklungen in diesem Umfeld ist „das richtige Material an der richtigen Stelle“. Die Entwicklung von Technologiemodulen für die Herstellung sogenannter lastpfadund kraftflussgerechter Lagenstrukturen waren Inhalt und Ziel des Projektes. Diese stellen eine Ergänzung der bisherigen Möglichkeiten der vollflächigen Faserkonstruktion dar und ermöglichen auch die Erzeugung hybrider Strukturen (Abb. 3.4). Für die Abbildung einer umfangreichen Möglichkeit, Strukturen in verschiedenen Ausrichtungen herstellen zu können, sind Funktionen für den Fasereintrag sowohl in Produktionsrichtung als auch quer zur Produktionsrichtung des Geleges erforderlich. Um die

Abb. 3.3 Multiaxialgelegemaschine

3 Projektziele

13

Abb. 3.4  Multiaxialgelege (links) bis zur Anwendung (rechts). (Quelle: Prospekt Fa. KARL MAYER Technische Textilien GmbH; Quelle: Foto der Anlage in der OHLF, T.  Heinecke; Quelle: Volkswagen AG)

Abb. 3.5  Mögliche Mustergeometrien mit Anwendungsbezug. (Quelle: Vortrag Chemnitzer Textiltechniktagung T. Heinecke [21])

Anforderung der exakten Kraftaufnahme im späteren Bauteil erfüllen zu können, müssen Fasern nicht wie bisher geradlinig im Prozess eingetragen werden, eine ­Winkelabweichung folgt der Linie des Kraftflusses. Diese Funktionen umfassen im Wesentlichen das Legen der Fasern und das hinreichende Fixieren zur mustergetreuen Abbildung der konstruktiven Vorgabe des Bauteiles. Die Lösungen sollen auf den Einsatz im hochproduktiven Fertigungsverfahren in einer Textilmaschine zur Herstellung von Gelegestrukturen für Faserverbundmaterialien ausgerichtet sein. Die Ausführung sollte sich am modularen Charakter der Anlage orientieren und sowohl einzeln als auch kombiniert zum Einsatz kommen können (Abb. 3.5). Im Ergebnis des Projektes steht eine Textilmaschine zur Herstellung neuartiger Gelegestrukturen in Verbindung mit einem hochproduktiven Fertigungsprozess. Zur Unterstützung nachfolgender Prozessschritte werden Möglichkeiten zum Hinzufügen ergänzender Materialien, wie z. B. Matrixfolien, Vliese oder vorgefertigte Grundgelege geschaffen. Es ergibt sich ein Technologiebaukasten für den Einsatz in unterschiedlichen Marktsegmenten, da die neu zu entwickelnden Module auf die verschiedenen Anlagengrößen adaptiert werden können und somit eine Anpassung an Ausprägungen des Endprodukts erfolgen kann.

14

3.3

E. Körner und T. Heinecke

Textiltechnische Herausforderungen und Umsetzungsmöglichkeiten

Die Zielstellung, eine kraftflussgerechte reproduzierbare Verlegung von Carbonfaserrovings auf ein Trägermaterial in den Feinheiten 12K, 24K und 50K, in Kett- und Schussrichtung mit mindestens 12 Rovings gleichzeitig in einem Inlineprozess bei Geschwindigkeiten bis zu 5 m/min umzusetzen, stellt eine hohe Herausforderung an den textiltechnischen Prozess dar. Als Träger können dafür unterschiedliche Materialien oder Materialkombinationen zum Einsatz kommen. Zum einen erfolgt die kraftflussgerechte Verlegung der CF-Rovings auf bi- oder multiaxial verlegten Fadenscharen aus Glasfaser- oder Carbonfaserrovings in unterschiedlichen Feinheiten, die dann zusammen mit den verlegten Verstärkungsstrukturen an der Nähwirkstelle zu einem partiell verstärkten Multiaxialgelege verbunden werden. Dabei können bei Halbzeugen für thermoplastische Faserverbundbauteile thermoplastische Folien (PP, PA6, ...) oder Vliese aus thermoplastischen Fasern oder thermoplastische Faserverbundvliese in verschiedenen Lagenebenen eingearbeitet werden. Es ist allerdings ebenso möglich, thermoplastische Folien oder Vliese aus thermoplastischen Fasern oder thermoplastische Faserverbundvliese mit den verlegten Verstärkungsstrukturen zu vernähen. Um die Stabilität dieser Trägermaterialien zu erhöhen, werden in gewissen Abständen dünne Glasfasern verlegt und mit eingearbeitet. Eine wichtige Grundvoraussetzung für eine reproduzierbare Verlegung von CF-­Rovings ist, dass die Fadenspannungen aller Rovings sich in einer annähernd gleichen Größe bewegen. Die Höhe der Fadenspannung sollte dabei so gering wie möglich sein, um die gewünschte Verlegung in der freien Länge zwischen Fadenführer und Nähwirkstelle mit einem einstellbaren Überhub gewährleisten zu können. Die Rovings weisen je nach Hersteller und Schlichteanteil ein unterschiedliches Ablaufverhalten bei der tangentialen Abrollung auf. Mit Hilfe eines aktiv arbeitenden Abrollgatters wird versucht, diese Unterschiede zu minimieren. Weiterhin weisen die Rovings an der Wicklungsumkehr gewisse Einschnürungen auf, was nach dem Verlegen der Rovings zu Breitenschwankungen und Gassen führt. Über die erforderlichen Fadenumlenkungen in der Rovingzuführung wird versucht, diese Breitenschwankungen zu minimieren (Abb. 3.6). a) Kraftflussgerechte Verlegung in Kettrichtung (KFV) Für die kraftflussgerechte Verlegung in Kettrichtung, dem sogenannten Kettfadenversatz (KFV), kommen 2 × 12 Fadenführer zu Einsatz. Die Fadenführer sind in 2 Ebenen angeordnet, so dass sich jeweils 12 Rovings entsprechend des Legebildes kreuzen können, um somit geschlossene Lochverstärkungsstrukturen abbilden zu können. Mit den Fadenführern können geschlossene Bänder mit max. 12 CF-Rovings in Breiten von bis zu 120 mm in 2 Ebenen oder parallel verlegt werden. Weiterhin ist es möglich, Bänder aus jeweils drei Rovings in 30  mm Breite oder auch Einzelrovings mit 10  mm Breite separat zu verlegen und dies jeweils ebenfalls in 2 Ebenen. Dabei sind die

3 Projektziele

15

Abb. 3.6  Legungsbereiche für Kett- und Schussfadenversatz (Anlagenschema Aufsicht)

­ ewegungsabläufe der Vorfadenführer programmseitig so anzupassen, dass es zu keinen B Kollisionen kommt. Die Rovingzuführung stellt eine weitere textiltechnische Herausforderung dar. Die Umlenkwinkel und Wege der einzelnen Rovings sollten weitgehend gleich gestaltet werden. Dabei ist darauf zu achten, dass eine Beeinträchtigung zwischen den einzelnen Rovings ausgeschlossen wird. Da je nach Musterung die Fadenverbräuche unterschiedlich sind und bei der Musterumkehr am Rand Faden frei wird, ist für jeden Roving ein Einzelfadenspeicher erforderlich. Um die Einschnürungen bei Winkeländerungen zu reduzieren und ein gerades Einlaufen der Rovings in die Fadenführer zu ermöglichen, sind Vorfadenführer, die jeweils einer der beiden Ebenen Fadenführer zugeordnet sind, erforderlich. In einem ausreichend großen Abstand von den Fadenführern (ca. 300 mm) garantieren diese den geraden Rovinglauf in die Fadenführer. In den Vorfadenführern sind die Rovings jeweils in einer Dreiergruppe zusammengefasst, sodass auch drei Einzelfadenführer die gleichen Einlaufverhältnisse für die Rovings aufweisen. Auf die Gestaltung der Fadenführer ist dabei besondere Aufmerksamkeit zu legen. Die Fadenführer sind so ausgeführt, dass der Roving über zwei abgerundete Stege geführt wird, um damit eine Spreizwirkung auf den Roving ausüben zu können, so dass die gewünschte Rovingbreite von 10 mm am Ausgang der Fadenführer erreicht werden kann. b) Kraftflussgerechte Verlegung in Schussrichtung (SFV) Für die kraftflussgerechte Verlegung in Schussrichtung, dem sogenannten Schussfadenversatz (SFV), kommen 12 Rovings zu Einsatz, die in ihrer Position durch Fadenführer in 2 Ebenen fest angeordnet sind. Die beiden Ebenen sind erforderlich, damit sich die Rovings nicht gegenseitig beeinflussen und ein geschlossenes Band von 120  mm Breite

16

E. Körner und T. Heinecke

e­ rreicht werden kann. Über die Warenbreite gesehen sind 2 Richtungswechsel möglich, jeweils von 90° bis +45° und −45°. Da aufgrund der beengten Verhältnisse in der OHLF in Wolfsburg nur eine Schusslege-­ Einrichtung realisierbar war, ist entsprechend der Anzahl der zu legenden Schussfadenbänder pro Muster die Geschwindigkeit der Maschine anzupassen. Um einen SFV im Produktionsprozess zu ermöglichen, muss der Legekopf über die Warenbahn gesehen eine X-Y-Bewegung und für die Richtungswechsel eine Drehbewegung realisieren können. Der Legekopf selbst verfügt über entsprechende Rovingführungen, 2 Lieferwerke in unterschiedlichen Ebenen, eine Rovingklemme, eine Schneideinrichtung und einen beheizbaren Andruckstempel. Eine Herausforderung beim Richtungswechsel der Schussfäden ist, dass der innere Roving aufgrund des kürzeren Weges einen geringeren Fadenverbrauch als der äußere Roving aufweist. Softwareseitig sind diese Bedarfsunterschiede der einzelnen Rovings mittels Lieferwerk, Klemmung und Rückförderung auszugleichen. Mittels des beheizten Andruckstempels werden die Rovings bei Richtungswechsel in drei Richtungssegmente umgelenkt und mit ihrer Unterseite partiell auf dem Spunfab fixiert. Herausforderung beim SFV ist die partielle Fixierung der Rovings, die an den Rändern und bei Richtungswechsel auf der Grundware bis zur endgültigen Fixierung mit den Nähfäden an der Nähwirkstelle erforderlich ist. Dabei wird es notwendig, die beiden unvernähten Lagen des Grundgeleges ebenfalls zu fixieren, um einen Verzug der Grundware zu vermeiden. Das zum Einsatz kommende partielle Fixiermittel darf dabei im Composite die thermoplastische Matrix nicht negativ beeinflussen, d. h. nicht zu Kennwertverlusten führen. Für die Fixierung wurden in einer Lösungssystematik unterschiedliche Varianten betrachtet. Favorisiert wurde ein HotMelt-Sprühauftrag direkt am Legekopf zwischen Rovingunterseite und Gelegeoberseite. Anlagentechnisch war diese Lösung innerhalb der Laufzeit des Projektes nicht realisierbar, da aufgrund der zur Verfügung stehenden Platzverhältnisse keine Hardware am Markt verfügbar war und von einem Hersteller erst hätte neu entwickelt werden müssen. Aus diesem Grund wurde für die Fixierung eine Lösung mit thermoplastisch aufschmelzbarem Spunfab ein Polyamid-Copolymer mit einem Schmelzpunkt von 80 °C umgesetzt. Dabei können Spunfabbreiten bis 150 mm zum Einsatz kommen. Für das Aufbringen der Spunfabstreifen wurden an 2 Positionen der Anlage jeweils 4 Stück breitenverstellbar Spunfablieferwerke angeordnet. Die erste Position befindet sich zwischen den beiden Lagen des Grundgeleges, d. h. zwischen Leger 1 und Leger 2, und dient zur partiellen Fixierung der Grundgelegelagen untereinander, um einen Verzug im Grundgelege zu vermeiden. Die zweite Position befindet sich unmittelbar vor der eigentlichen Schusslegeeinrichtung und dient zur partiellen Fixierung der gelegten Schussfäden an den Rändern und im Bereich der Richtungsänderungen. Jedes Spunfablieferwerk ist mit einer gebremsten Spunfababrollung, mit 2 Lieferwalzenpaaren, einer Schneideinrichtung, Führungsblechen, einer Andruckrolle und einem Infrarotstrahler versehen. Um nur in den Bereichen des SFV das Spunfab zwischen und auf der Gelegebahn aufzubringen, wurde eine Heizdrahtschneideinrichtung integriert. Das

3 Projektziele

17

Spunfab wird nach seiner Platzierung mittels Infrarotstrahlern aufgeschmolzen. Das an der Gelegeoberfläche angeschmolzene Spunfab kann dann mittels des Heizstempels an dem Schusslegekopf für die Fixierung der Carbonfaserrovings wieder aktiviert werden. c) Vernähen Das Vernähen der kraftflussgerecht abgelegten Rovings erfolgt zusammen mit der Grundware (Gelege, Vlies, Folie) direkt an der Nähwirkstelle mittels Nähfäden über die gesamte Warenbreite. Als Nähfäden kommen dabei entweder thermoplastische Nähfäden aus Polyamid oder Polypropylen oder Nähfäden aus Glas, jeweils in geringen Feinheiten, d.  h. unter 100 dtex, zum Einsatz. Das Vernähen erfolgt in Trikotbindung, und je nach Drapiergrad des textilen Halbzeuges kann die Fadenspannung des Nähfadens variiert werden. Die Nähfadenspannung ist generell so einzustellen, dass die Dickenunterschiede, die sich durch die kraftflussgerecht verlegten Rovings im textilen Verstärkungshalbzeug ergeben, nicht zu Fadenrissen führen. Für eine Glasfasergelegegrundware mit Kett- und Schussfadenversatz hat sich eine Stichlänge von 4 mm als vorteilhaft erwiesen. d) Musterprogrammierung Die Entwicklung der Musterprogrammierung besteht aus vier Teilkomplexen, der Programmierung des Kettfadenversatzes, der Programmierung des Schussfadenversatzes, der Programmierung der Spunfabablage und der mustergerechten Zusammenführung dieser drei Teilkomplexe. KARL MAYER Technische Textilien GmbH konnte aufbauend auf die Programmiermodule in der Maschinensteuerung der Multiaxialmaschine die Teilkomplexe der Programmierung des Schussfadenversatzes, der Programmierung der Spunfabablage und die mustergerechte Zusammenführung der Teilkomplexe vornehmen. Die Programmierung des Kettfadenversatzes baute allerdings auf eine völlig andere Programmiergrundlage auf, d. h. auf einer Stringbarrentechnologie, die für textile Spitzenmuster entwickelt wurde und in der Form für die KFV-Programmierung nicht genutzt werden kann. Die 2 × 12 Fadenführer des Kettfadenversatzes sind als Einzelantriebe und die 2 × 4 Vorfadenführer sind als Gruppenantriebe ansteuerbar. Bei Verwendung des bestehenden Programmiertools hätten für ein 2000 mm langes textiles Halbzeug mit 4 mm Stichlänge ca. 64.000 Einzelwerte eingegeben werden müssen. Da dies völlig unpraktikabel ist, wurde vom Cetex Institut ein völlig neues und einfach zu handhabendes Programmiertool für den KFV geschaffen. In einer ersten Stufe entstand ein übersichtliches und einfaches Eingabeprogramm mit wenigen Eingabewerten für geschlossene Bänder mit 12 Fadenführern nebeneinander. Entsprechend dem Legemuster erfolgt die Eingabe der Länge, des Versatzes sowie des Radius für den jeweiligen Legeabschnitt. In diesem Programmtool enthalten sind sowohl die Anzeige des Legemusters als auch die Korrekturen, die sich aus dem Abstand ­zwischen Fadenführer und Nähwirkstelle ergeben. Außerdem sind Kollisionsbetrachtungen der Einzelfadenführer und der Vorfadenführer Bestandteil der Programmierung.

18

E. Körner und T. Heinecke

In einer zweiten Stufe entstand das Eingabeprogramm für die Ablage von Bändern mit jeweils drei Rovings nebeneinander, die dem Dreierpaket der Vorfadenführer entsprechen. Damit ist es möglich, in jeder Ebene vier Carbonfaserrovingbänder entsprechend dem Muster frei zu verlegen, wobei das Muster so ausgeführt sein muss, dass Kollisionen vermieden werden. Diese Kollisionsbetrachtung wird dem Programmierer gleichzeitig für Fadenführer und Vorfadenführer im Programm grafisch angezeigt. Grundvoraussetzung für die Programmierung ist die bemaßte 2D-Abwicklung der kraftflussgerechten Verstärkungsstruktur des gewünschten Bauteils. Ausgehend vom Nullpunkt sind für die einzelnen Legeabschnitte deren Länge (X-Wert), deren Versatz (Y-Wert) sowie der Radius des Übergangs von einem zum nächsten Legeabschnitt für das Rovingband oder den Einzelroving zu bemaßen. Diese Werte werden auf einem Rechner in die Programmtabelle eingetragen, und die Berechnung wird gestartet. Danach kann für jede Legeebene die grafische Kollisionsbetrachtung aufgerufen werden. Arbeiten Faden- und Vorfadenführer kollisionsfrei, wird die eigentliche Maschinenprogrammierung gestartet und als maschinenlesbares File ausgegeben, welches über eine Ethernet-Schnittstelle oder einen USB-Stick an die Maschine übertragen werden kann. Mit diesen Programmwerten zum KFV, den Werten zum SFV und zur Spunfabplatzierung kann das textile Verstärkungsmuster für die kraftflussgerechten Kett- und Schussfäden zugeordnet und gefertigt werden.

4

Voruntersuchungen Daniel Nebel, Holg Elsner und Markus Mannig

Zusammenfassung

Neben der Anlagentechnik ist eine Grundvoraussetzung für die erfolgreiche Produktion qualitativ hochwertiger Bauteile das Erlangen eines umfangreichen Material- und Prozessverständnisses. Hierzu wird in diesem Kapitel zunächst die Auswahl und Charakterisierung der einzusetzenden Materialien in Form von thermoplastischen Kunststoffen und Faserhalbzeugen durch verschiedene Imprägnierversuche und mechanische Prüfungen dargestellt. Im Weiteren wird die Optimierung der Bauteilauslegung beschrieben. Indem das Drapierverhalten durch Umformversuche erprobt und gleichzeitig simuliert wird, können die Faserausrichtung und der Lagenaufbau im textilen Halbzeug virtuell erprobt werden, um die spätere Umformung zum Bauteil zu begünstigen. Im Speziellen wird außerdem das Interface zwischen Faser und thermoplastischer Kunststoffmatrix betrachtet und mit verschiedenen Verfahren hinsichtlich Benetzung und Haftung analysiert. Dies ermöglicht eine passende Auswahl verschiedener Materialkombinationen zur Optimierung der Performance im Verbundbauteil. D. Nebel Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Fraunhofer-­ Projektzentrum Wolfsburg, Wolfsburg, Deutschland E-Mail: [email protected] H. Elsner LSE – Lightweight Structures Engineering GmbH, Chemnitz, Deutschland E-Mail: [email protected] M. Mannig (*) Technische Universität Braunschweig, Institut für Füge- und Schweißtechnik, Braunschweig, Deutschland E-Mail: [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 K. Dilger (Hrsg.), Kontinuierliche kraftflussgerechte Textiltechnologien für Leichtbaustrukturen in Großserie, Zukunftstechnologien für den multifunktionalen Leichtbau, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61003-9_4

19

20

4.1

D. Nebel et al.

Materialauswahl und Charakterisierung

Daniel Nebel Zur spezifischeren Betrachtung technologischer Fragestellungen und einer Vergleichbarkeit war die Eingrenzung des am Markt erhältlichen Materialspektrums notwendig. Neben der Wahl der zu betrachtenden Faser- war auch die Wahl geeigneter Matrixmaterialien und deren Lieferform notwendig. Nach einer nachfolgend durchgeführten Materialvorauswahl wurde die Imprägnierbarkeit von Kohlenstofffasern näher untersucht, bevor abschließend eine Charakterisierung der Verbundeigenschaften erfolgte. Matrixtypen, welche aufgrund ihrer rheologischen Eigenschaften nicht zur Imprägnierung geeignet sind, konnten somit zielgerichtet identifiziert und für weitere Untersuchungen ausgeschlossen werden. Die Zielstellung war, eine Materialpaarung zu finden und diese anschließend zu einem für den Prozess sinnvollen Halbzeug bereitzustellen. Die Charakterisierung und Eigenschaftsvorhersage sollte die mechanisch sinnvolle Anwendung identifizieren.

4.1.1 Materialauswahl Innerhalb des Projektes erfolgte die Auseinandersetzung schwerpunktmäßig mit Polyamid, insbesondere in seiner Variante Polyamid 6 (PA6) und Polyamid 6.6 (PA6.6), und es wurden vergleichsweise Untersuchungen an Polybutylenterephthalat (PBT) durchgeführt. Die näher betrachteten Materialien sind in Tab.  4.1 aufgelistet. Zusätzlich wurde ein PP-Material, welches im Rahmen des Wachstumskerns thermoPre qualifiziert wurde, für spätere Verarbeitungsschritte ausgewählt. Als Kohlenstofffaserrovings mit PA-kompatibler Schlichte sind neben den 3K-, 6K-, 12K-, 24K- und 48K-CF-Rovings von der Firma DowAksa auch die 50K-CF-Rovings ZOLTEK™ PX35 Continuous Tow von der Firma Zoltek ausgewählt worden (siehe Tab. 4.2). Als Glasfasermaterialien kamen über die Projektlaufzeit die in Tab. 4.3 gelisteten Materialien zum Einsatz.

Tab. 4.1 Matrixwerkstoffe für Imprägnierversuche. (Quelle: Fraunhofer IWU, Volkswagen AG)

Thermoplast PA6 PA6 PA6 PA6 PA6.6 PBT PBT

Bezeichnung Ultramid® B24 N 03 Ultramid® B27 03 Ultramid® B33 L Ultramid® B3S Ultramid® C33 LN Ultradur® B4520 Ultradur® B1520 FC UN

Lieferant BASF BASF BASF BASF BASF BASF BASF

4 Voruntersuchungen

21

Tab. 4.2 Kohlenstofffaserrovings für Imprägnierversuche. (Quelle: Fraunhofer IWU, Volkswagen AG) Lieferant Bezeichnung Grammatur Schlichte

DowAksa A-38, A-42 3K, 6K, 12K, 24K, 48K PA-kompatibel

Tab. 4.3  Ausgewählte Glasfaserrovings für Prozessversuche. (Quelle: Fraunhofer IWU, Volkswagen AG)

Zoltek Panex35 50K Thermoplastkompatibel

Lieferant PPG Fiber Glass Glasseide Oschatz Bezeichnung TufRov 4510, 4588 EC14-300-PA44 Schlichte PA-kompatibel PA-kompatibel

Die von der Firma BASF bereitgestellten Thermoplaste Ultramid und Ultradur wurden in Granulatform angeliefert, was die gleichmäßige Verarbeitung der Werkstoffe in z. B. Tiefkantenwerkzeug oder kontinuierlichen Anlagen wie z. B. einer Doppelbandpresse deutlich erschwert. Damit diese Materialien im Sinne der Streu- bzw. Pulverimprägnierung verarbeitet werden konnten, ist eine Zerkleinerung der Granulate zu Pulver unerlässlich. Als klassische Zerkleinerungstechnologien gelten Mahlverfahren, welche gemäß ihrer Prozesstemperatur in Warm- und Kryogenvermahlung unterschieden werden. Das Mahlen von wärmeempfindlichen Thermoplasten zu sehr kleinen Partikelgrößen kann aufgrund der niedrigen Schmelztemperaturen ausschließlich mithilfe von kryogener Vermahlung realisiert werden. Bei Auswahl des Wirkfadenmaterials wurde sich auf nicht näher spezifizierte PP und PA Wirkfäden beschränkt, welche in späteren Imprägnierprozessen ihre Funktion als Wirkfaden verlieren und in die Matrix eingebettet werden.

4.1.2 Rheologie ausgewählter Matrixmaterialien Zur Analyse des Materialverhaltens bei erhöhter Temperatur und zur Bestimmung der Schmelzviskosität erfolgten die rheologischen Untersuchungen der Matrixwerkstoffe am Rheometer HAAKE MARS III. Die nach DIN 53018 geprüften Proben wurden dabei in einem 1  mm breiten Messspalt einer Platte-Platte-Geometrie positioniert und zunächst dem Oszillationsversuch unterzogen. Dieser Versuch dient der Parameterermittlung für die folgenden Tests und ist demnach prinzipiell der erste Versuch, der im Rahmen einer Messreihe vollzogen wird. Danach schließen sich der Frequenz- und Zeittest an, mit denen sich die Nullviskosität und das Materialverhalten bei erhöhter Temperatur charakterisieren lassen. Die Ergebnisse des Frequenztests sind in Tab. 4.4 zusammengefasst. Bei der Betrachtung der gültigen Messwerte zeigte sich, dass mit einem Wert von rund 42 Pas das Ultradur® B1520 FC UN gegenüber den anderen Matrixwerkstoffen die niedrigste

22

D. Nebel et al.

Tab. 4.4  Zusammenfassung der Ergebnisse aus dem Frequenztest. (Quelle: Fraunhofer IWU, Volkswagen AG) Thermoplast Ultramid® B24 N 03 Ultramid® B27 03 Ultramid® B33 L Ultramid® B3S Ultramid® C33 LN Ultradur® B4520 Ultradur® B1520 FC UN

Ausgangszustand Pulver Pulver Pulver Folie Pulver Pulver Pulver

Nullviskosität in Pas 108,6 242,5 733,10 406,6 720,6 227,0 42,14

Nullviskosität besitzt. Ebenfalls zu den niedrigviskosen Thermoplasten lassen sich das ­Ultramid® B24 N 03, Ultradur® B4520 und Ultramid® B27 03 zählen sowie Ultramid® B3S, wohin gegen alle weiteren Proben mit Werten über 700 Pas als hochviskose Thermoplaste eingestuft werden können. Ultramid® B3S eignet sich zusätzlich durch eine ausreichend hohe Viskosität zur Überführung in ein flächiges Halbzeug wie z. B. einer Folie. Im durchgeführten Zeittest, der insgesamt 2500 Sekunden andauerte, fährt das ­Rheometer bei einer konstanten Frequenz von 1 Hz einen Temperaturbereich von 220 °C bis 240 °C ab. Dieser Versuch gibt Aufschluss über die thermische Stabilität der Polymere bei einer definierten Temperatur und Zeit, sodass Aussagen zu Verarbeitungstemperatur und -dauer abgeleitet werden können. Alle untersuchten Thermoplaste ließen sich problemlos auf 240 °C erhitzen und zeigten über eine Dauer von 2500 Sekunden keine Anzeichen von thermischem Zerfall, sodass eine Verarbeitung der Materialien bei einer Temperatur von 240 °C bei einer Dauer von maximal 40 min möglich ist.

4.1.3 V  oruntersuchungen zur thermoplastischen Imprägnierung kohlenstofffaserverstärkter Strukturen Um eine geeignete Faser-Matrix-Paarung für die Imprägnierung der MAG-K/S-V-Textilien mit thermoplastischer Matrix in Großserie zu ermitteln, wurde ein standardisierter Imprägnierversuch für grundlegende Studien zur thermoplastischen Imprägnierung von Kohlenstofffaserverstärkungen entwickelt. Die in Tab. 4.2 gelisteten CF-Rovings wurden hierzu mit einer definierten Fadenspannung von 10 N abgewickelt und mithilfe einer Wickelanlage auf den Grundkörper abgelegt und als am Rand fixierte Lagen entnommen. Beginnend mit den trockenen UD-Gelegen wurden in einem Tiefkantenwerkzeug zunächst sechs UD-Lagen aufeinander abgelegt, bevor das sortenreine Matrixmaterial in einer definierten Menge ausschließlich auf die obere Textillage gleichmäßig verteilt wurde. Nach der Werkzeugbestückung findet das Pressen der Platte an einer Laborpresse (Firma Dr. Collin GmbH) statt. Der vollständige Presszyklus besteht aus Aufheiz-, Haupt- und Abkühlphase. Die Hauptphase stellte dabei mit 120 s den kürzesten Teil des Gesamtzyklus dar, während die Aufheiz- und Abkühlphase mit jeweils 660 s die längste Zeit in Anspruch

4 Voruntersuchungen

23

nahm. Der Druck wurde über alle Serien konstant bei 15 bar gehalten. Die Zieltemperatur der Hauptphasen betrug 275 °C für PA6, 285 °C für PA6.6 und 290 °C für PBT. Nach Beendigung des Pressvorgangs wurde das Masseverhältnis der Platte vor und nach dem Pressen bestimmt, um einen Masseverlust durch die Tauchkanten von weniger als 10  % sicherzustellen. Im Rahmen einer Versuchsreihe wurden je ausgewählter Faser-­Matrix-­Kombination mindestens 2 Platten hergestellt, um reproduzierbare Aussagen bezüglich der Platten- bzw. Imprägnierqualität zu erhalten. Zur Beurteilung der Imprägnierqualität schließt sich an die Plattenherstellung eine mikroskopische Untersuchung der Schliffbilder an. Ein solches Schliffbild ist exemplarisch in Abb. 4.1 dargestellt. Die Ergebnisse der Imprägnierversuche mit minimaler und maximaler Imprägniertiefe je Matrixmaterial je Fasertyp sind in Tab. 4.5, 4.6 und 4.7 zu finden. Aus diesen Ergebnissen wird ersichtlich, dass bei den Versuchen der A-42 und den PX35-50K mit den niedrigviskosen PA6-Pulvern bislang die höchsten Imprägniertiefen erzielt wurden. Auf dieser Grundlage aufbauend, lassen sich für die großserientaugliche Thermoplastimprägnierung für die MAG-KV-Textilien mit A-42- und den PX35-50K-­Kohlenstofffasern folgende thermoplastische Matrizes in Pulverform mit einer Korngröße von maximal 50 μm oder Folienform als geeignet einstufen: • • • • •

Ultradur® B1520 FC UN, Ultramid® B24 N 03, Ultramid® B3S, Ultramid® B27 03 und Ultradur® B4520.

Abb. 4.1  200-fache Vergrößerung einer mikroskopischen Untersuchung zur Auswertung eines Imprägnierversuchs. (Quelle: Fraunhofer IWU, Volkswagen AG)

24

D. Nebel et al.

Tab. 4.5  Imprägniertiefe für DowAksa A38. (Quelle: Fraunhofer IWU, Volkswagen AG) Matrixwerkstoff Ultramid® B24 N 03 Ultramid® B27 03 Ultramid® B33 L Ultramid® B3S Ultramid® C33 LN Ultradur® B4520 Ultradur® B1520 FC UN

Imprägniertiefe in μm für Faserfeinheiten 3k 90–80 85–75 70–50 80–70 70–50 85–75 95–80

6k 95–80 90–75 65–50 85–70 65–50 90–75 100–85

Tab. 4.6  Imprägniertiefe für DowAksa A42. (Quelle: Fraunhofer IWU, Volkswagen AG) Matrixwerkstoff Ultramid® B24 N 03 Ultramid® B27 03 Ultramid® B33 L Ultramid® B3S Ultramid® C33 LN Ultradur® B4520 Ultradur® B1520 FC UN

Imprägniertiefe in μm für Faserfeinheiten 12k 24k 48k 110–90 140–105 145–110 105–85 120–85 125–90 75–55 90–65 95–65 100–80 105–80 105–85 80–50 80–55 95–65 100–70 100–70 125–95 150–100 145–100 150–115

Tab. 4.7  Imprägniertiefe für Zoltek PX35. (Quelle: Fraunhofer IWU, Volkswagen AG) Matrixwerkstoff Ultramid® B24 N 03 Ultramid® B27 03 Ultramid® B33 L Ultramid® B3S Ultramid® C33 LN Ultradur® B4520 Ultradur® B1520 FC

Imprägniertiefe in μm für Faserfeinheit 50k 145–110 125–90 95–65 125–90 95–65 125–95 150–115

4 Voruntersuchungen

25

Aufgrund der weiteren Verarbeitung und definierten Anlagentechnik wird Ultramid® B3S sowie ein im Rahmen des Wachstumskerns ThermoPre qualifiziertes PP-System in Folienform angewandt.

4.1.4 C  harakterisierung von hybriden Glasund Kohlenstofffasermultiaxialgelegen Multiaxialgelege aus Glasfasern und Kohlenstoffasern sind kommerziell erhältlich. Eine Kombination beider Materialtypen ist für Bauteile mit komplexem Spannungsprofil sinnvoll. Für eine Abschätzung potenzieller Anwendungen wurden Multiaxialgelege für sich und in Kombination mit einer gerichteten Kohlenstofffaserverstärkung, eingebunden in Ultramid® B3S untersucht. Hierfür wurden aus den in Tab. 4.3 gelisteten Glasfasern TufRov 4588 1200 tex gespreizte Biaxialgelege mit 0°/90° und ±45° Orientierung (siehe Abb. 4.2) in Zusammenarbeit mit dem Projektpartner KARL MAYER hergestellt. Die Einzellagen sind durch eine Trikotbindung mit 3 mm Stichlänge miteinander verwirkt. Vergleichend ist auf der im Rahmen des Projektes installierten Anlage und den TufRov 4510 600 tex Glasfaser ein 600 g/m2, ±45°Glasgelege produziert worden. Zwar ist eine 300 g/m2-Einstellung ebenfalls möglich, da es sich hierbei jedoch nicht um eine Anlage mit Spreizfunktion für die Glasleger handelt, wäre das Ergebnis eine überwiegend gassige Struktur. Die Weiterverarbeitung der Gelege erfolgte analog den Versuchen in 4.1.3 mit einer Ultramid® B3S-Folie. Im Anschluss wurden aus den gepressten Probekörperplatten für die mechanische Charakterisierung der Trägermaterialien Zugstäbe nach DIN EN ISO 527-4 gemäß Probekörper Typ 3 ohne Zentrierlöcher gefertigt. Nach entsprechender Konditionierung in Anlehnung an die DIN EN ISO 1110 erfolgte die Zugprüfung nach DIN EN

Abb. 4.2  GF-Biaxialgelege mit 300 g/m2 Flächengewicht und Faserorientierung 0°/90° (links) und +45°/−45° (Mitte); 600 g/m2, +45°/−45° Biaxialgelege aus GF TufRov 4510 600 tex [Fraunhofer IWU, Volkswagen AG]

26

D. Nebel et al.

ISO 527-4. Die Ergebnisse dieser Versuchsreihe sind in folgender Tabelle abgebildet (Tab. 4.8). Wie die Ergebnisse zeigen, weist das 0°/90°-Biaxialgelege aus TufRov4588 die höchste Zugfestigkeit und Steifigkeit aller geprüften Proben auf. Neben verbesserten Imprägniereigenschaften zeigen die mit PA6 imprägnierten +45°/−45°-Biaxialgelege mit Flächengewichten von ca. 300 g/m2 im Vergleich zu den +45°/−45°-Biaxialgelegen aus TufRov4510 mit 600  g/m2 höhere Steifigkeiten bei annähernd gleichen Zugfestigkeiten. Im nächsten Schritt wurden die Lagen mit jeweils einer Lage DowAksa A42-24k Fasern in 0°-Richtung verstärkt. Die Imprägnierung erfolgte analog den vorangegangenen Versuchen. Auf jede Lage Kohlenstofffaser folgen zusätzliche Lagen Kunststofffolie, um den lokalen Faservolumengehalt bei 50 % zu halten. Die Ergebnisse sind in Tab. 4.9 festgehalten. Sowohl Steifigkeiten als auch Zugfestigkeiten konnten gesteigert werden. Hierbei ist zu beachten, dass die erzielten Werte größtenteils auf die Kohlenstofffasern zurückzuführen sind. Da Glasfasern bei deutlich höheren Bruchdehnungen versagen, ist deren tragender Anteil am Ergebnis vergleichsweise gering. Die erzielten Ergebnisse sind jedoch niedriger, als zu erwarten war. Dies ist auf Ondulationen infolge der thermoplastischen Imprä­ gnierung in den Fasern zurückzuführen. Durch die vorhandenen Dickensprünge kommt es zu einem Materialfluss quer zur Kohlenstofffaser in Richtung des Druckgefälles. Entstehende Ondulationen führen insbesondere bei Kohlenstofffasern zu einem negativeren Eigenschaftsbild.

Tab. 4.8  Mechanische Zugeigenschaften von MAG-Textilien mit B3S-Folie Eigenschaften Zugfestigkeit [MPa] E-Modul [GPa] Bruchdehnung [%]

[±45], 600 g/m2 114 ± 18 7,78 ± 0,5 3,07 ± 0,5

[±45], 300 g/m2 91 ± 16 5,40 ± 1,1 3,87 ± 0,68

[0°/90°], 300 g/m2 378 ± 23 21,61 ± 0,9 1,88 ± 0,13

Tab. 4.9  Mechanische Zugeigenschaften von MAG-Textilien verstärkt mit 0° AK42-24k-Rovings zu 160 g/m2 mit B3S-Folie Eigenschaften Zugfestigkeit [MPa] E-Modul [GPa] Bruchdehnung [%]

[±45], 600 g/m2 380 ± 46 34,4 ± 4 1,1 ± 0,2

[±45], 300 g/m2 447 ± 51 49,4 ± 3 0,90 ± 0,1

[0°/90°], 300 g/m2 628 ± 77 57,0 ± 5 1,1 ± 0,1

4 Voruntersuchungen

4.2

27

Optimierung und Drapiersimulation

Holg Elsner Für die optimale Auslegung von MSV mit anisotropen Werkstoffverhalten ist die gleichzeitige Einbeziehung der Herstellungsprozesse der textilen Verstärkungslagen von besonderer Bedeutung. Wesentliche Eigenschaften textilverstärkter Faser-Kunststoff-­Verbunde werden durch das Drapier- und Umformverhalten der Textilhalbzeuge bestimmt und beeinflussen die Herstellbarkeit von Bauprinzipien mit geometrisch gekrümmten Oberflächen entscheidend. Zusätzlich werden diese lokalen Faserorientierungen für die Strukturauslegung hinsichtlich der geforderten Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften benötigt. Im ersten Schritt konnten durch die kinematische Simulation des textilen MSV die lo­ kalen Faserorientierungen der Einzelschichten abgebildet werden. Als Baugruppe wurde dabei ein gemeinsamer Technologiedemonstrator – in Anlehnung an ein PKW-­Bodenseg­ ment ausgewählt (vgl. Abb. 4.3a). Um Fehlstellen bei der Fertigung durch Faltenwürfe und Verzerrungen während des Drapierprozesses frühzeitig feststellen zu können, ist eine Charakterisierung der textilen Eigenschaften notwendig. Dazu wurde ein Schubrahmen entwickelt (Abb. 4.3b), der es erlaubt, sowohl trockene Textilien als auch temperierte und konsolidierte MSV (Organobleche) im Scherversuch zu analysieren. Die so ermittelten Kraft-Scherwinkel-Kurven dienen als Eingangsgrößen für die nachfolgende Umformsimulation oder nach Ermittlung eines maximal zulässigen Scherwinkels als Grenzwerte für eine kinematische Drapiersimulation. In einer entwickelten Schubrahmenprüfvorrichtung wurden die konsolidierten MSV mit Vorzugsrichtung eingespannt und bei einer Temperatur von 260  °C verzerrt, (Abb. 4.3c). Die Ergebnisse zeigten, dass der MSV während der Verzerrung sofort eine Faltenbildung ausprägte. Diese Art der Faltenbildung erschien im Vergleich zu einem erwarteten Prozessverlauf im Realwerkzeug als unrealistisch.

Abb. 4.3  a) Lokale Faserorientierung eines MSV; b) Versuchsaufbau Schubrahmenprüfung; c) eingespannter MSV im Schubrahmen

28

D. Nebel et al.

Eine nachfolgende Analyse zu den Verzerrungsvorgängen im Schubrahmen und den Einspannbedingungen ergab, dass die Schubrahmenprüfvorrichtung entgegen den Erwartungen für den entwickelten MSV auf Basis der MAG-KV/SV2-Technologie nicht geeignet ist und keine kritischen Scherwinkel bestimmt werden konnten. Um die Drapierung bzw. den Umformvorgang des MSV genauer zu beschreiben, wurde eine vom Projektpartner VW zur Verfügung gestellte Halbkugeldrapiervorrichtung verwendet. Im Unterschied zur Schubrahmenprüfvorrichtung liegen bei der Halbkugeldrapiervorrichtung andere Einspannbedingungen vor. Aus Sicht der Projektpartner werden dabei bessere Realbedingungen abbildbar sein. Die Drapierversuche mit der Halbkugeldrapiervorrichtung (Abb. 4.4a, b) erfolgte bei unverändertem Temperaturprofil analog zu der Durchführung mit der Schubrahmenprüfvorrichtung. Auch hier erfolgte eine Faltenbildung, die jedoch im zu erwartenden Prozessverlauf liegt. Die Faltenbildung wird durch die Fixierung der Verstärkungsfasern auf dem Trägermaterial während der Drapierung verursacht (Abb. 4.4c). Um die Faltenbildung kategorial definieren zu können, wurden in enger Abstimmung mit dem Projektpartner Fraunhofer IWU folgende Materialvarianten für den Kugeldrapierversuch bereitgestellt und geprüft: • Proben mit variabler Breite des CF-Tapes (30 mm bis 110 mm) • Proben mit einfach und gekreuzt abgelegten CF-Tapes (mit variabler Breite der CF-­ Tapes; 45 mm bis 110 mm) • Glasgelege mit einem Flächengewicht von 300 g/m2 • Parameter zur Wirkbildung (Stichabstand, Material) wurden beibehalten Nachfolgend (Abb. 4.5a, b, c) ist ein Auszug der hergestellten Proben mit ausgewähl­ten Materialanordnungen dargestellt: Eine deutliche Anpassung und Optimierung von Prozessparameter, Temperaturprofil und Verfahrenszeit erfolgte während der Versuchsreihe. Die Versuche unterteilten sich in Proben mit unterschiedlichen Materialkombinationen. In den Abb. 4.6a bis c sind die umgeformten MSV aus dem Kugeldrapierversuch dargestellt.

Abb. 4.4  a) Versuchsaufbau Kugeldrapierversuch; b) umgeformter MSV in Unterform; c) umgeformter MSV, einzeln

4 Voruntersuchungen

29

Abb. 4.5  a) MSV einzeln; b) MSV doppelt; c) MSV gekreuzt

Abb. 4.6  umgeformte MSV: a) einzeln; b) doppelt; c) gekreuzt

Ergebnisse der Umformversuche zeigen, dass eine faltenfreie Umformung mit dieser Materialkombination nicht möglich ist. Die Carbonfasern bilden das flächige Gewebe so steif aus, dass eine Umformung in doppelt gekrümmten Flächen (sog. Kofferecken) und damit eine Verschiebung der Einzellagen zueinander nicht als faltenfreie Drapierung realisiert werden kann. Um Bauteile dennoch mit diesen Materialkombinationen herstellen zu können, wurden wesentliche Designvorschläge zusammengefasst und herausgearbeitet: • Vermeidung von Lastpfaden, die über doppelt gekrümmten Flächen führen, diese bzw. der Verlauf der CF-Tapes sollten gesplittet und somit über einfach gekrümmte Flächen geführt werden • In Abhängigkeit vom Radius lassen sich sehr dünne CF-Tapes über die doppelt gekrümmten Flächen führen • Lastpfade mit kleineren Umformungen und großen Radien lassen sich gut drapieren • Lastpfade können sich auf ebenen Flächen kreuzen und sollten an den Kanten zum Bauteilrand geführt werden • Bei der Prozesskette zur Herstellung von Bauteilen mit kraftflussgerechten Lastpfaden führt die Umformung der eingesetzten Halbzeuge explizit bei doppelt gekrümmten Flächen zur Faltenbildung

30

D. Nebel et al.

Prozessanimation Im Laufe des Projektes wurden die Anforderungen definiert und detaillierte Ablagemechanismen für den Kett- und Schussfaden entwickelt. Um den gesamten Prozess zu visualisieren, wurde durch eine vereinfachte, aber maßgetreue Konstruktion der gesamten Anlage eine Prozesssimulation durchgeführt. Durch die Simulation der einzelnen Prozesse ist es möglich, verschiedene Verfahrens- oder Ablagemechanismen darzustellen und deren Randbedingungen festzulegen. Daraus lassen sich Ablagevarianten hinsichtlich Orientierungen, Kollisionen und Muster ableiten. Nachfolgend werden jeweils der Kettfaden- und Schussfadenversatzprozess und anschließend der Gesamtprozess dargestellt und beschrieben. a) Kettfadenversatzprozess (KFV-Prozess) Ausgehend von 2 unabhängig voneinander beweglichen Zuführern werden die einzelnen Carbonrovings über die gesamte Breite auf das Trägermaterial abgelegt. Dabei können die einzelnen Carbonrovings je Zuführer einzeln angesteuert und somit selektiert bzw. zu einem flächigen Tape zusammengefasst werden. Die Ablage der Verstärkungsfasern ist zwischen einem Winkel zur Produktionsrichtung von +/−45° realisierbar. Die Fixierung erfolgt durch die anschließende Wirkstelle. Durch die Ablage der Carbonfasern (CF) können somit direkt bauteilspezifische Lastpfade auf das Bauteil übertragen werden. Die nachfolgenden Abb. 4.7a bis c zeigen beispielhafte Ablagevarianten des Kettfadenversatzmoduls, die 2 Rovingzuführer sowie die direkte Tapeablage. b) Schussfadenversatzprozess (SFV-Prozess) Analog zu dem KFV-Prozess werden bei dem SFV-Prozess die Carbonrovings zu einem Faserband, um 90° zur Produktionsrichtung gedreht, abgelegt. Hierbei platzieren vier

Abb. 4.7 KFV-Prozess: a) Beispielmuster; b) Detail: Zuführung; c) Detail: Tapeablage

4 Voruntersuchungen

31

Spunfabrollen das Spunfab in definierten Bereichen und fixieren es thermisch mit dem Trägermaterial. Die Anordnung der Spunfabrollen wird über die vorher definierten Richtungsänderungen des Ablagemusters definiert. Insbesondere vor Richtungsänderungen sind die partiell aufgetragenen Spunfabs zur Fixierung notwendig. Das SFV-Modul legt, über ein sich relativ zur Produktionsrichtung bewegliches Portal, die Verstärkungsfasern auf dem Trägermaterial bzw. den Spunfabbahnen ab. Die Tapes können in einem Winkel zwischen +/−45° senkrecht zur Produktionsrichtung ausgerichtet werden. Nachfolgend ist in Abb. 4.8 der Ablageprozess für das Schussfadenversatzmodul dargestellt. c) Gesamtablageprozess Durch die Abstimmung zwischen KFV- und SFV-Modul in einem Prozess wurde eine Gesamtanimation erstellt. In dieser wird die Ablage der lastpfadgerechten Verstärkungsfasern in Kett- und Schussfadenrichtung dargestellt, um bauteilspezifische Ablagemuster und deren Randbedingungen zu veranschaulichen. In der Animation wurden die anlagenbedingten Fertigungsrestriktionen berücksichtigt. Dabei können die Verstärkungsfasern theoretisch über das gesamte Trägermaterial in jeder Orientierung abgelegt werden (Abb. 4.9a). Das nachfolgende Beispielmuster (Abb. 4.9b) in Anlehnung an das Referenzbauteil zeigt die Ablagemöglichkeiten der Verstärkungsfasern im Gesamtprozess.

SFV-Modul auf beweglichen Portal

Schussfadenrichtung -45° +45°

Spunfab-Rollen

Produktionsrichtung

Abb. 4.8  SFV-Prozess mit Spunfabfixierung a) Spunfab-Rollen

SFV

KFV

Abb. 4.9  a) SFV und KFV; b) Beispielmuster

b)

32

4.3

D. Nebel et al.

Grenzflächencharakterisierung

Markus Mannig

4.3.1 Grundlagen Zur Charakterisierung der Grenzflächen zwischen Faser und Matrixkunststoff muss zwischen der Benetzung sowie der Faser-Matrix-Haftung unterschieden werden. Grundsätzlich bleibt festzuhalten, dass eine gute Benetzung eine notwendige, aber keine hinreichende Bedingung für eine gute Faser-Matrix-Haftung und demnach gute Verbundeigenschaften beschreibt. Im Fokus stand die grundlegende Aufstellung von Messmethodiken für die Faserbenetzung und Faser-Matrix-Haftung. Hierzu wurden zunächst verschiedene Messverfahren recherchiert, um diese dann für ausgewählte Fasertypen anzuwenden. Die Auswahl der Fasersubstrate für die Versuche ergab sich aus Gründen der Verfüg- und Vergleichbarkeit zu einem Fasertyp von DowAksa mit jeweils unterschiedlichen Schlichte- und Oberflächenbehandlungen bzw. -auftragsmengen, wie in Tab. 4.10 ersichtlich. Als Grundlage für die Evaluation der Benetzung und Faser-Matrix Haftung sowie für die Imprägnierung wurde die Schmelzviskosität der verschiedenen PA6-Typen zum Einsatz als Kunststoffmatrix mittels Rheologiemessungen (vgl. Abb. 4.10) bestimmt. Diese Untersuchungen liefen parallel zu den bereits in Abschn. 4.1 beschriebenen Materialcharakterisierungen, fokussiert hier aber auf die Schmelzeviskosität bei 230 °C, anstelle der vorher betrachteten Nullviskosität. Wie die Vergleichsübersicht sehr deutlich zeigt, liegen bei den verschiedenen PA6-­ Typen bei einer relevanten Schmelztemperatur von 230  °C Viskositätsunterschiede bis zum Faktor 10 vor. Dies ist im Besonderen für die aufgrund hoher Faserdichten anspruchsvolle Imprägnierung bzw. Infiltrierung der Kohlefaserrovings interessant.

4.3.2 Benetzung Die Fasern mit unterschiedlichen Schlichten wurden auf ihre Benetzbarkeit hin untersucht. Die Charakterisierung der Fasern soll dabei über die Oberflächenenergie erfolgen. Für die Messung der Oberflächenenergie von den zu testenden Kohlenstofffasern wurde ein Tensiometer verwenTab. 4.10  Fasertypen zur Benetzungsmessung Nr. 1 2 3 4 5 6

Hersteller DowAksa DowAksa DowAksa DowAksa DowAksa DowAksa

Bezeichnung im Datenblatt 12K A-42–E012 24K A-42–E012 12K A-42–E011 12K A-42–D012 12K A-45–C081 24K A-49–C071

Filamente 12K 24K 12K 12K 12K 24K

Schlichte E012 PA E012 PA E011 PA D012 EP C081 Hybrid C071 Hybrid

4 Voruntersuchungen

33

Komplexe Viskosität [Pa*s]

1000000

B24N03 B2703 B36LN C33

100000

10000

Viskosität bei 230°C: B24N03: 192,6 Pa*s B2703:

1000

514,0 Pa*s

B36LN: 2151,0 Pa*s 100 150

C33: 160

170

180

190

200

210

220

230

240

1525,0 Pa*s

250

Temperatur [°C]

Abb. 4.10  Untersuchung der Schmelzviskosität als Grundlage für die Benetzung

det. Da diese Größe bei Feststoffen nicht direkt messbar ist, wurde zunächst mit der Washburnmethode ein Kontaktwinkel bestimmt und dieser dann mittels der OWRK-Methode in die Oberflächenenergie umgerechnet. Bereits etabliert hat sich diese Methode bei der Messung von Pulvern. Um die Ergebnisse besser beurteilen zu können, wurden im zweiten Teil die Kohlenstofffasern mit einem thermoplastischen Kunststoff benetzt und der Kontaktwinkel gemessen. Hierdurch ist auch ein Vergleich der verschiedenen Matrixkunststoffe auf dem gleichen Fasersubstrat möglich. Diese Messungen wurden mit einem Kontaktwinkelmessgerät durchgeführt. Benetzung am Tensiometer Zunächst wurden Untersuchungen an einem Tensiometer durchgeführt, in dem die trockenen Fasern als Bündel in einem definierten Stempel-Probenhalter mit verschiedenen Testflüssigkeiten vermessen werden konnten. Am Institut für Füge- und Schweißtechnik wird im Labor das Tensiometer DCAT21 der Firma Dataphysics verwendet. Es ist ein multifunktionales Gerät und kann neben Sorptionsmessungen an Pulvern und Faserbündeln auch für die Bestimmung des dynamischen Kontaktwinkels, für Dichtebestimmungen sowie für Ober- und Grenzflächenspannungsmessungen verwendet werden. Die verschiedenen Zubehöre wie Probenhalter und Softwareprodukte ermöglichen diese auf Gewichtsveränderung basierenden Messungen. Das Tensiometer enthält einen höhenverstellbaren Tisch, wo ein Behälter mit Testmedien platziert wird, und ein Wägesystem am Oberteil mit automatischer Kalibrierung, an dem der Probenhalter eingeklemmt wird (siehe Abb. 4.11). Ein Temperaturfühler zeichnet die Temperatur während der Messung auf. Die Waage deckt einen Bereich von 10  mg bis 210 g ab, und es können je nach Methode Kontaktwinkel von 0° bis 180° bestimmt werden. Zur Probenpräparation wurden die Fasern mit einem Rollmesser auf eine Länge von 30 mm geschnitten. Die geschnittenen Faserbündel konnten direkt im Anschluss unidirektional in die benötigte Portionsgröße gepackt werden, um eine gleichmäßige Ausrichtung zu gewährleisten. Mit einer Präzisionswaage wurde anschließend die genaue Menge ab-

34

D. Nebel et al.

Abb. 4.11  Tensiometer DCAT21 mit Faserbündel-Probenhalter FH11

gewogen. Damit die Faserbündel reproduzierbar in den Probenhalter FH11 überführt werden, wurde ein Stück Stahlfolie (Dicke 0,05 mm, 27 mm × 60 mm) zu Hilfe genommen. Die Fasern wurden auf die Stahlfolie gelegt, eingerollt und aufgesetzt, damit eine ebene Schnittfläche entsteht und anschließend zur Hälfte in den Probenhalter geführt (siehe Abb. 4.12). Durch leichten Druck gleiten die Fasern hinein und die Stahlfolie kann entfernt werden. Der Probenhalter ist am unteren Ende mit Öffnungen versehen, damit die Testflüssigkeit an die Fasern gelangen kann (siehe Abb.  4.11). In dem oberen Aufsatz, welcher auch die Aufnahme für das Tensiometer enthält, ist ein Stempel integriert, ­welcher die Fasern im Probenhalter an ihrer Position hält und somit ein konstantes Faservolumen ermöglicht. Aus diesen Messwerten lässt sich schließlich die Oberflächenenergie der Fasern, aufgeteilt in dispersen und polaren Anteil berechnen und vergleichend darstellen (Abb. 4.13).

4 Voruntersuchungen

35

Abb. 4.12  Abgebildete Schritte zum Befüllen des Probenhalters a) Probenhalter FH11, b)  geschnittener Kohlenstofffaserstrang auf 3 cm Länge, c) Kohlenstofffasern auf Stahlfolie, d) Kohlenstofffasern in Stahlfolie gewickelt im Probenhalter

Abb. 4.13  Übereinander dargestellte Oberflächenenergien in dispersen (unten) und polaren (oben) Anteilen der verschiedenen Kohlenstofffasern

36

D. Nebel et al.

Hier zeigen sich bis auf einen merklich höheren polaren Anteil der gemessenen Oberflächenenergie bei einem Typ des als „Hybrid“ angegebenen Schlichtesystems keine bedeutenden Abweichungen, die auf eine bessere oder schlechtere Benetzung zwischen Faser und Matrix schließen lassen. Benetzung mit Matrixtropfen Zur Erprobung einer Prüfmethodik für die Benetzungsmessung zwischen Fasertyp und Oberflächenbehandlung sowie Matrixkunststoff wurden Versuche zur Messung von ­realitätsnahen Benetzungslängen und Kontaktwinkeln zwischen Faser und schmelzflüssigem Matrixtropfen, wie in Abb. 4.14 dargestellt ist, erprobt. Daraus entwickelt wurde ein Messverfahren im Kontaktwinkelmessgerät, das das direkte Vermessen eines schmelzflüssigen Matrixtropfens auf dem Kohlenstofffaserroving ermöglicht. Dies wird erreicht, indem der einzusetzende thermoplastische Kunststoff als Pulver in einem Keramikstempel auf Schmelztemperatur erhitzt wird und innerhalb von einer Temperierkammer mit Glasseitenteilen auf den liegenden Kohlenstofffaserroving aufgetropft werden kann. Das Kontaktwinkelmessgerät OCA25 der Firma Dataphysics (siehe Abb.  4.15) bie­tet hierzu eine Thermostatisiereinrichtung mit elektrischer Widerstandsdoppelheizung (TEC400) sowie ein elektrisches Kanülenheizsystem (NHD400). Die Kamera ermöglicht einen Kontaktwinkelmessbereich von 0° bis 180° mit einer Genauigkeit von 0,1°. Die Temperierkammer sowie die eingespannte Kanüle im Kanülenheizsystem sind höhenverstellbar. Der abgesetzte Kunststofftropfen auf dem Kohlenstofffaserstrang verändert seine Struktur während der Messung und fließt in Längsrichtung der Faser auseinander. Der Kontaktwinkel steigt nach Absetzen des Tropfens leicht an. In den Versuchen wurden Werte bis zu 90° gemessen. Danach fließt der Kunststoff gleichmäßig nach links und rechts und nähert sich einem konstanten Winkel an. In Abb.  4.16 ist das Verhalten des Polyamids dargestellt. Benetzungslänge

6,0 mm 4,0 2,0

B24N03

B2703

B36LN

C33

B4520 UN

0,0

B24N03

B2703

80 ° 60 40 20

0

Abb. 4.14  Faserbenetzung mit Matrixkunststoff – Vorversuche

B36LN

K ontaktwink inke el Kontaktwinkel

C33

B4520

4 Voruntersuchungen

37

Abb. 4.15  Verwendetes Kontaktwinkelmessgerät OCA25

Abb. 4.16  Veränderung des mittleren Kontaktwinkels von Ultramid B27 03 auf DowAksa A-42 E012 12K über die Zeit von 400 Sekunden bei einer Umgebungstemperatur von 240 °C

Dieser Annäherungswinkel ist für alle untersuchen Fasern in Abb. 4.17 gegeneinander aufgetragen. Durch dieses Messverfahren sind bemerkenswerte Unterschiede im Benetzungsverhalten zu differenzieren. Diejenigen Schlichtesysteme, die für die Verwendung mit Polyamiden optimiert sein sollen (Kennung „E …“), bieten in dieser Übersicht die größten Kontaktwinkel, d. h. die schlechteste Benetzung. Hingegen lassen sich die Hybridsysteme mit der Kennung „C …“ am besten mit der Polyamidschmelze benetzen. Abschließend festzuhalten ist damit, dass das direkte Messverfahren im Kontaktwinkelmessgerät für den vorliegenden Anwendungsfall besser geeignet ist und zudem eben-

38

D. Nebel et al.

Abb. 4.17  Kontaktwinkel mit Standardabweichung der Kohlenstofffasern mit verschiedenen Schlichten, welche mit Ultramid B 2703 bei einer Umgebungstemperatur von 240 °C benetzt wurden

falls die direkten Benetzungseffekte im Realfall zwischen Faser und Kunststoffschmelze nachbildet und erfassbar gestaltet.

4.3.3 Faser-Matrix-Haftung Aufbauend auf die Untersuchungen zur Benetzbarkeit der Rovings mit der Matrixschmelze wurden Prüfungen zur Faser-Matrix-Haftung durchgeführt. Nach der Katalogisierung verschiedener Prüfmethoden und der Unterscheidung zwischen mikromechanischen Tests wie z. B. Einzelfilamentprüfungen und makromechanischen Tests wie dem 90°-Zugversuch wurde auf die makromechanischen Varianten fokussiert. Diese wurden ausgewählt, da so der Realverbund mit einer Normalverteilung von enthaltenen mikroskopischen Fehlstellen sehr gut nachgebildet wird. Die Mikromechanik hingegen kann eher theoretische Maximalwerte der Faser-Matrix-Anbindung abbilden. Zur Probenvorbereitung wurde aus verschieden beschlichteten Fasertypen ein UD-­ Gelege hergestellt, das mittels Bepulverung mit der PA6-Matrix Typ B24 als Mehrlagenstack auf einer Heiz- und Kühlpresse zu einem Plattenmaterial verarbeitet wurde. Die Parameter und Materialmengen wurden soweit variiert, bis per mikroskopischem Schliff eine vollständige Imprägnierung mit guter Qualität und Faservolumengehalt >50  % erzeugt werden konnte. Ziel dieser Versuche war der Nachweis der Anwendbarkeit verschiedener Prüfmethoden und die Messung der Einflussgröße der passenden Faserbeschlichtung, weswegen hier auch eine auf Polyamide optimierte Schlichte gegen eine konventionelle epoxidkompatible Standardschlichte geprüft wurde.

4 Voruntersuchungen

39

Abb. 4.18  Ergebnisse 90° Zugversuch

Die Ergebnisse für den 90°-Zugversuch sind im Folgenden dargestellt (vgl. Abb. 4.18). Es zeigen sich bereits im elastischen Bereich klar messbare Vorteile für das auf Polyamide optimierte Schlichtesystem, die sich bei weiterer Betrachtung des plastischen Bereiches bis hin zur Zugfestigkeit noch vervielfachen. Die Zugfestigkeit mit auf das Matrixsystem optimierter Schlichte kann gegenüber dem Standardsystem demnach um mehr als das Dreifache gesteigert werden. Hiernach kann bereits geschlussfolgert werden, dass das Prüfverfahren die zu messenden Unterschiede mit ausreichender Genauigkeit sehr klar auflösen kann. Bereits hier wird deutlich, dass die Ergebnisse der Benetzungsmessung, die Vorteile bei der Universal- und Epoxidschlichte ausgewiesen hatten, nicht eigenständig betrachtet werden können. Eine gute Benetzung alleine bietet demnach nicht notwendigerweise die besten mechanischen Eigenschaften im Verbund. Vielmehr ist eine gute Benetzung als notwendiges, aber nicht hinreichendes Kriterium zur Beschreibung der Ausbildung einer guten Verbundhaftung darzustellen. Bei noch genauerer Betrachtung der gemessenen Spannungs-Dehnungs-Diagramme sowie auch des Versagensverhaltens (Abb. 4.19) können diese Unterschiede weiter erläutert werden. Das optimierte Schlichtesystem führt zu einer vierfachen plastischen Matrixdehnung, bevor das schlagartige Versagen einsetzt. Die Spannung wird somit über die ­Interfaces zwischen Faser und Matrix homogen über den gesamten Prüfbereich übertragen. Bei der epoxidkompatiblen Schlichte hingegen setzt bereits nach sehr wenig Dehnung ein klares Versagen am Faser-Matrix-Interface ein, was durch das pinselartige Bruchbild bestätigt wird.

40

Abb. 4.19  Ergebnisse 90°-Zugversuch, Spannungs-Dehnungs-Verlauf

D. Nebel et al.

5

Entwicklung Legetechnologie Hans-Jürgen Heinrich und Thomas Heinecke

Zusammenfassung

Die Entwicklung der Legetechnologie ist Kernthema des Verbundprojektes KonText und muss in die Beeinflussung des Kettfadenversatzes (Ablage in Produktionsrichtung) und des Schussfadenversatzes (Ablage quer zur Produktionsrichtung) unterteilt werden. Hierzu wird jeweils unabhängig voneinander ein Funktionsmodul zur Erweiterung der Serienanlage entwickelt und aufgebaut. Grundsätzlich werden in diesem Kapitel für beide Funktionsmodule die technischen Entwicklungsschritte beschrieben, beginnend mit Lösungskonzepten und Funktionsprinzipien über Versuchsstände und Optimierungsschritte der prototypischen Funktionen bis hin zur endgültigen Umsetzung als fertige Funktionsmodule mit Integration in die Anlage. Die jeweils spezifisch notwendige Peripherie, wie z.  B.  Fixiereinheiten, werden ebenso wie die Bedien- und Steuerkonzepte bis hin zur Programmiersoftware berücksichtigt.

H.-J. Heinrich (*) Cetex Institut für Textil- und Verarbeitungsmaschinen gemeinnützige GmbH, Chemnitz, Deutschland E-Mail: [email protected] T. Heinecke KARL MAYER Technische Textilien GmbH, Chemnitz, Deutschland E-Mail: [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 K. Dilger (Hrsg.), Kontinuierliche kraftflussgerechte Textiltechnologien für Leichtbaustrukturen in Großserie, Zukunftstechnologien für den multifunktionalen Leichtbau, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61003-9_5

41

42

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

5.1

Kettfadenversatzmodul

5.1.1 Lösungskonzepte Ziel des Forschungsvorhabens war es, auf eine Grundware, bestehend aus einem Multiaxialgelege +/−45° E-Glas, oder auf eine thermoplastische Folie, auf ein Vlies oder eine Kombination der genannten Trägermaterialien Carbonverstärkungsfasern in Bändchenform abzulegen. Es sollte die Verarbeitung von 12K, 24K und 50K möglich sein. Für die Realisierung des Kettfadenversatzes standen zwei Lösungsansätze zur Auswahl. Zum einen ist aus dem abgeschlossenen Forschungsvorhaben „Biotex“ das Prinzip „Scherengitter“ als Kettfadenversatzeinheit umgesetzt worden. Die Erprobungsergebnisse in Biotex zeigten allerdings, dass für die Anforderungen, die im Projekt KonText gestellt waren, eine grundlegende Neuentwicklung erforderlich machen würden. Zum anderen gibt es im Portfolio von KARL MAYER Textilmaschinenfabrik Obertshausen das Prinzip „Stringbarre“, das in Raschelmaschinen für die Herstellung von Spitzen und Gardinen Anwendung findet. Bei dieser Lösung können die Fadenführer einzeln programmiert und bewegt werden, um Musterungen in der textilen Fläche zu erhalten (Abb. 5.1 und 5.2).

Abb. 5.1  Prinzip „Scherengitter“

8

7 3

5

1

a

4

14

3

9

4

6 2

Abb. 5.2  Prinzip „Stringbarre“

5

8

12 14

11 13

15

5  Entwicklung Legetechnologie

43

In einem Vergleich gemeinsam mit dem Projektpartner KARL MAYER Technische Textilien GmbH wurden Vor- und Nachteile beider Lösungsansätze aufgeführt und gegeneinander abgewogen. Als Ergebnis der Systematik ist die Stringbarrentechnologie als frei programmierbare Lösung favorisiert und ausgewählt worden, die zwar antriebstechnisch eine hohe Herausforderung darstellt, aber nicht durch mechanische Bauteile limitiert ist (Tab. 5.1). Unter Zugrundelegung des Demonstratorbauteiles „Bodenbaugruppe“ von der Volkswagen AG sollen mit der Kettfadenversatzeinheit 2 ca. 120 mm breite Carbon-UD-Bänder in 2 Legeebenen auf eine Grundware gelegt werden, die sich in einem Winkel von 45° kreuzen. Diese Forderung bedingte die Anordnung von 2 Versatzlinien (2 Stringbarren) (Abb. 5.3). Tab. 5.1  Lösungskonzepte für KFV Scherengitter Vorteile: pro Versatzeinheit nur 2 Antriebe erforderlich

Nachteile: limitiert in Dichteänderung aufwendige Konstruktion für 100 Zoll Arbeitsbreite kompliziertes mechanisches Getriebe

Stringbarren Vorteile: frei programmierbar für jeden Fadenführer in Dichte und Versatzweg platzsparende Anordnung über gesamte Arbeitsbreite bewährtes Konzept bei Spitzenmaschinen gute Bedienbarkeit mehrere Versatzlinien (zum Kreuzen) integrierbar Nachteile: pro Fadenführer 2 Antriebe erforderlich d. h. bei 4 Barren × 6 FF = 48 Motoren

Abb. 5.3  Entwurf Anordnung von 2 Versatzlinien

44

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

Da bei der bisherigen Verarbeitungstechnologie mit der Stringbarrentechnologie dünne textile Einzelfäden verarbeitet werden, war es zuerst notwendig für die Verlegung der Verstärkungsfaserrovings die Fadenführer so zu konstruieren, dass ein Bändchen mit 10 mm Breite flach abgelegt werden kann (Abb. 5.4). Mit der ausgewählten Stringbarrenlösung ergaben sich die Anordnung der Fadenführer an der Nähwirkstelle und die Zuführung der Rovings entsprechend Abb. 5.5.

Abb. 5.4  Anordnung und Modifizierung der Fadenführer

Abb. 5.5  Maschinenquerschnitt Nähwirkstelle mit Fadenführern

5  Entwicklung Legetechnologie

45

5.1.2 Vorversuche Parallel zur Entwicklung der Grundmaschine mit Kettfadenversatzeinheit erfolgte im Cetex Institut die Entwicklung und Montage eines Vorversuchsstandes, um die Funktion der gewählten Variante Kettfadenversatz nachweisen zu können bzw. um die Erkenntnisse der Vorversuche noch in die endgültige Konstruktion einfließen lassen zu können und Antriebe bezüglich bewegter Massen, erforderlicher Versatzwege usw. auslegen zu können. Die Nähwirkstelle wird im Vorversuchsstand mit einem Kalander nachempfunden. Über die untere Kalanderwalze wird eine Klebefolie zugeführt, auf der die Verstärkungsfasern haften. Es wurden 2 Versatzlinien mit je 4 Fadenführern bestückt. Der Antrieb der Fadenführer erfolgt über 4 Servomotoren. Nach ersten Legeversuchen mit E-Glas-Bändchen konnten bereits Rückschlüsse für eine optimale Auslegung gezogen werden. Weiterhin wurde in den Versuchen beispielsweise getestet, welcher maximale Legewinkel erreicht werden kann und welcher minimale Radius beim Legen eines konstant auf 10 mm ausgebreiteten Bändchens realisierbar ist (Abb. 5.6). Bereits nach den ersten Legungen im Vorversuchsstand wurde deutlich, dass zusätzlich zur Dimensionierung und Gestaltung der Fadenführer sogenannte Vorfadenführer notwendig werden, um dem Einzelband seine Legerichtung vorzugeben, so dass der Roving im Fadenführer auch als breites Bändchen vorliegt. Auch die Notwendigkeit eines Einzelfadenspeichers, welcher die frei werdende Bandreserve bei einem Rückhub in Richtung Gatter aufnimmt, wurde bei den Vorversuchen erkannt. Somit ergeben sich für die angestrebte Lösung des KFV folgende Komponenten (Abb. 5.7, 5.8 und 5.9).

Abb. 5.6  Vorversuchsstand Schussfadenversatz

46

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

Vorfadenführer

Gatter

Bandspeicher

Abb. 5.7  Komponenten aus dem Vorversuchsstand

Abb. 5.8  Konstruktionsentwurf Vorversuchsstand

Fadenführer

5  Entwicklung Legetechnologie

47

Abb. 5.9  Legeversuche mit einer Versatzeinheit auf Klebefolie an einem Kalanderwalzenpaar

Abb. 5.10  Minimal möglicher Legeradius eines Einzelrovings

In den Vorversuchen wurde weiterhin ermittelt, bis zu welchem minimalen Radius sich Rovings mit einer Bändchenbreite von 10 mm verlegen lassen, ohne dass sich die Bändchen hochstellen oder kippen. Dabei wurde ein minimal möglicher Radius von 40  mm ermittelt (Abb. 5.10).

5.1.3 Umsetzung Anlagentechnik Nachdem die Funktion des Kettfadenversatzmoduls im Cetex Institut an einem Vorversuchsstand nachgewiesen wurde, wurde begonnen, mögliche Grenzparameter zu ermitteln, wie beispielsweise: • maximaler Legewinkel • minimaler Legeradius • Ausbreitung des Rovings etc.

48

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

Gleichzeitig wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Projektpartner KARL MAYER Technische Textilien in Chemnitz das Kettfadenversatzmodul für die Multiaxialgelegemaschine in der Open Hybrid LabFactory konstruiert. Die Verstärkungsfasern werden in 2 Versatzlinien gelegt, die sich kreuzen können und die mit jeweils 12 Fadenführern ausgestattet sind. Jeder Fadenführer innerhalb der Versatzlinie hat einen eigenen Antrieb, sodass sie über die Arbeitsbreite der Maschine frei programmierbar bewegt werden können oder aber „auf Block“ gefahren mit einem geringsten Abstand von 8  mm ein geschlossenes Band gelegt werden kann. Damit ein gassenfreies Tape innerhalb einer Versatzlinie entstehen kann bzw. das Einzelbändchen flach in dem Fadenführer liegt, wird dem Bändchen die Richtung von einem Vorfadenführer vorgegeben. In die Entwicklung sind die Erkenntnisse aus den Vorversuchen des Cetex Institut eingeflossen unter Berücksichtigung der Platzverhältnisse und Bedingungen an der fertigen Maschine. Bei der Eröffnung des Forschungscampus Open Hybrid LabFactory Wolfsburg (OHLF) im September 2016 war die Inbetriebnahme der Grundmaschine abgeschlossen und konnte mit Endlos-Grundwarenlegung und Kettfadenversatzmodul gezeigt werden. Es sind mehrere Legemuster für die Verstärkungsfasern programmiert und umgesetzt worden. Die Carbonfasern sollten in ersten Versuchen in 0°-Richtung als geschlossenes Tape abgelegt werden. Es wurde eine Tapebreite von 120 mm gassenfrei angestrebt und auch umgesetzt. Aufgabe im Teilprojekt Kettfadenversatz war die Entwicklung und Umsetzung einer Einrichtung für das lastpfadgerechte Legen von Fasern in Produktionsrichtung der Anlage, im Gelege als 0°-Richtung bekannt. Um die Basis der vorhandenen Maschinentechnologie optimal nutzen zu können, soll die Einrichtung als modulare Einheit ausgelegt werden und so eine optionale Integration in eine Wirkmaschine ermöglichen. Bestandteil der Einrichtung sind mechanische, elektrische und Softwarebausteine, welche als Funktionseinheit in den Anlagenverbund eingebunden werden. Wesentliche Baugruppen sind hierbei • die Fadenzuführung mit Spulengatter, Fadenspeicher und Fadenführungselementen • Kettfadenversatzeinrichtung zur Positionierung der Fasern vor der Fixierstelle (hier Wirkmaschine), inkl. Fadenführer und Vorfadenführer • Antriebstechnik zur Bewegung der fadenführenden Elemente und • Bediensoftware und Musterprogrammierung Die Baugruppen werden in Prozessreihenfolge dargestellt (Abb. 5.11). Spulengatter mit Fadenspeicher und Fadenführung Die Baugruppen zur Bereitstellung der Fasern untergliedern sich in die drei wesentlichen Elemente • Gatter zur Aufnahme der Carbonspulen • Fadenspeicher zur Aufnahme einer Fadenreserve und • Fadenführung zur Positionierung und Umlenkung der Fasern

5  Entwicklung Legetechnologie

49

Abb. 5.11  Konstruktionsentwurf Anlagenlayout Kettfadenversatz

Das Gatter zur Halterung und Bewegung der Carbonspulen ist ausgelegt auf eine Anzahl von 2 × 12 Spulen, welche waagerecht positioniert und tangential abgerollt werden. Für Realisierung einer gleichbleibenden und fadenspannungskonstanten Bereitstellung der jeweiligen Einzelfasern ist das Gatter mit aktiven – d. h. motorisch angetriebenen und spannungsgeregelten  – Antrieben ausgestattet. Die Parameter für die notwendigen Prozesseinstellungen können sowohl für jede Spule einzeln als auch in Gruppen zusammengefasst über eine menügeführte Bedienoberfläche eingestellt werden. Aufgrund der räumlichen Gegebenheiten an der Anlage einschließlich des Freiraums für notwendige Bedienhandlungen befindet sich das Spulengatter neben der Anlage. Für die Überleitung der Fasern von der Spulstelle zur Fixierstelle in der Wirkmaschine werden Fadenumlenkungen und -führungen benötigt. Kriterium für Auslegung und Gestaltung dieser Elemente ist die minimale Beeinflussung der Fasern hinsichtlich des Abriebes und der Fadenspannung. Diese ist gleichzeitig eine wesentliche Eigenschaft für die Warenqualität über den gesamten Legeprozess. Die Höhe der Fadenspannung sollte nicht nur sehr gering sein, sondern auch eine gewisse Konstanz während des Legeablaufs aufweisen. Die Zuführung der Verstärkungsfasern von dem Tangentialablaufgatter muss drehungsfrei und faserschonend erfolgen. Dabei ist es erforderlich, eine definierte konstante Fadenspannung in den Einzelrovings zu halten, damit ein gassenfreies Tape innerhalb einer Versatzlinie entsteht. In verschiedenen Vorversuchen wurde die Einbindung eines Fadenspeichers im Verlauf der Fadenführung als notwendig herausgestellt. Dynamische Bewegungsabläufe zusammen mit den Eigenschaften des Spulenantriebes und der Reibung an Umlenkstellen verursachten eine deutliche Abweichung der Fadenspannung von der gewünschten Größe. Ein Fadenspeicher mit entsprechender Speichergröße – angepasst an die Bewegungsabläufe – nimmt die im Prozess frei werdende Fadenmenge kurzzeitig auf und gibt sie im weiteren Verlauf wieder an den Prozess zurück. Der Fadenspeicher ist ein passives, mit Federkraft arbeitendes System für geringe Fadenspannungen. Im weiteren Verlauf werden die Fasern über verschiedene Umlenksysteme einzeln dem folgenden Prozessschritt zugeführt. Da flach gelegte Faserrovings nicht quer zur Abzugsrichtung versetzt werden können, ohne dass einzelne Bändchen in ihrer Form negativ

50

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

durch Wegknicken beeinflusst werden, der Bewegungsablauf dieses aber erfordert, wird der Faserverlauf in den Umlenkungen um 90° von waagerecht auf horizontal verändert. Dies ermöglicht eine einfache Anpassung des Faserverlaufs an die Anforderungen des Systems mit den Mustermöglichkeiten. Jedes Faserbändchen wird auf dem Wege vom Spulengatter zur Wirkstelle einzeln geführt, um gegenseitige Beeinflussungen zu vermeiden. Auch sollte die Faser in ihrer Struktur nicht beeinflusst werden, d. h., es gilt Bündelungen des Einzelrovings zu vermeiden, um die flache, auf der Spule vorliegende Form während des Prozesseintrags zu nutzen (Abb. 5.12 und 5.13). Kettfadenversatz mit Fadenführersystem Das für die Funktion des Gesamtmoduls wesentliche Element ist das System der Fadenführung an der Wirkstelle gemeinsam mit dem Fixierprozess. Als grundlegende Eigenschaften sind hier die Ausführung der Fadenführer, die Positioniermöglichkeiten und die direkte Nähe zum Fixierprozess, sprich zur Wirkmaschine, zu nennen. Anforderungsgerecht sollen Fasern als zusammenhängendes Band, als Fasergruppe und auch mit der Möglichkeit der Kreuzung zweier Faserbänder eingetragen werden können.

Abb. 5.12  Fadenzuführung KFV von Gatter bis 90°-Umlenkung

5  Entwicklung Legetechnologie

51

Abb. 5.13  Fadenzuführung KFV von 90°-Umlenkung bis Fadenführer

Für die exakte Lage der Fasern im Gelege ist die Positionierung der fadenführenden Elemente sowie ihre direkte Nähe zum Fixiermedium erforderlich. In der zugrunde gelegten Entwicklung unter Nutzung der vorhandenen Wirktechnologie wird die gelegte Faser mechanisch mittels Maschenbildung an der Position gehalten. Der Prozess der Maschenbildung ist einschlägig bekannt und wird an dieser Stelle nicht weiter erläutert. Bedeutend ist jedoch, wie bereits erwähnt, die möglichst enge Zuordnung der fadenführenden Elemente zum Wirkprozess. In Abb. 5.5 ist dies zu erkennen. Beachtung finden dabei aber auch die Anforderungen zum Bewegungsablauf und die Handhabung des Systems, inkl. des Einzugs der Fasern. Da hierdurch ein gewisser Abstand eingehalten werden muss, wird diese Distanz im Bewegungsablauf der Fadenführer berücksichtigt. Um jede Faser einzeln führen zu können und trotzdem das Legen eines geschlossenen Faserbandes zu ermöglichen, werden die Fadenführer in 2 Ebenen angeordnet. Dies stellt die aneinander liegende Positionierung benachbarter Fadenführer sicher. Zusätzlich kann damit in Grenzen ein Überlappen einzelner Fasern erreicht werden, um auf die Eigenschaften unterschiedlicher Fasern eingehen zu können. Durch die mechanische Ankopplung der Fadenführer ergibt sich aber ein definierter Mindestabstand, welcher nicht unterschritten werden kann. Jeder Fadenführer ist einzeln angetrieben, wodurch die genaue Positionierung des Faserbandes optimal an die Eigenschaften der Faser angepasst werden kann (siehe Abschn. 5.1.2). Wie bereits erwähnt, besteht eine der Forderungen darin, sich kreuzende Faserbänder zu ermöglichen. Dies erlaubt durchgehende Faserbänder über die gesamte Breite der Gelegestruktur. Hiermit einher geht die Realisierung lastaufnehmender Strukturen über die gesamte Bauteilbreite. Zur Umsetzung dieser Anforderung wird das System der Fadenführer mit seiner Antriebsstruktur gedoppelt und auf 2 sogenannten Legebarren angeordnet (Abb. 5.14). Jedes System für sich verkörpert die gleichen beschriebenen Eigenschaften. Die Anordnung beider Systeme erlaubt jedoch die freie Positionierung der fadenführenden Elemente über die gesamte Breite des Legeprozesses. Eine mechanische Begrenzung besteht hier nicht.

52

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

Abb. 5.14  Anordnung der Stringbarren in der Maschine

Abb. 5.15  Vorfadenführer in 3er-Gruppierung

Aus der Forderung nach Legemustern mit Faserbändern in verschiedenen Winkeln abweichend von 0° zur Produktionsrichtung leitet sich die Notwendigkeit der positionsgesteuerten Fadenführung der Fasern vor der Zuführung in die Fadenführer ab. Bei feststehender Führung ereignet sich im Moment der Richtungsänderung der Fadenführer eine seitliche Einschnürung der Faserstruktur. Um dies zu verhindern, ist dem Fadenführersystem ein zweites fadenführendes Element vorgeschaltet. Hier wird mit entsprechender Bewegung erreicht, dass die Faser immer längs gestreckt dem Fixierprozess zugeführt wird und seitliche Einschnürungen vermieden werden. Eine flache, leicht gespreizte Faser kann so in den geforderten Legemustern besser positionsgerecht zugeführt werden. Angepasst an die hauptsächlichen Lagenstrukturen sind die sogenannten Vorfadenführer in Gruppen zu je drei Elementen zusammengeschaltet (Abb. 5.15).

5  Entwicklung Legetechnologie

53

Antriebstechnik Ein für die Gesamtfunktion bedeutendes Kriterium ist die Freiheit in den Bewegungsabläufen aller beteiligten Komponenten. Um die gewünschten Musterungsmöglichkeiten realisieren zu können, ist die unabhängige Positionierbarkeit der fadenführenden Elemente unabdingbar. Zu den betreffenden Elementen zählen hierbei die Fadenführer und Vorfadenführer. Die Legestrukturen werden erreicht, indem die Fadenführer vor der Fixierstelle quer zur Produktionsrichtung versetzt werden. Damit muss eine freie Positionierung der fadenführenden Elemente über die gesamte Arbeitsbreite des Geleges realisiert werden (Abb. 5.16). Für eine freie Musterung ist in der gewählten Ausführung jeder Fadenführer einzeln und die Vorfadenführer in Gruppen zu je 3 jeweils mit einem Elektromotor einzeln angetrieben. Da die Anzahl der Antriebe nicht direkt am Wirkort angeordnet werden konnten, finden alle Antriebe seitlich der Wirkmaschine Platz, und sie sind mit mechanischen Komponenten mit den zu bewegenden Aktoren verbunden. Im direkten Bereich der Wirkstelle konnten somit nur die für die direkte Führung der Fasern benötigten Komponenten platziert werden, um der Notwendigkeit der Nähe zur Fixierstelle Rechnung zu tragen. Die Verbindung zwischen Antriebsmotor und Fadenführer erfolgt mit einem umlaufenden Stahlseil, welches mit einer automatischen Spannvorrichtung versehen ist. Die Verwendung eines solchen Seiles ermöglicht den platzsparenden Verlauf aller erforderlichen Elemente in parallelen Führungen. Die Fadenführer sind auf dem Stahlseil mit einer Klemmung befestigt und somit auch leicht austauschbar. Da diese Art der Verbindung ausschließlich auf Kraftschluss basiert, können bei dynamischen Prozessen Probleme mit Schlupf oder Dehnung auftreten. Im vorliegenden Fall laufen alle Positionierbewegungen quer zur Produktionsrichtung sehr langsam ab, sodass ggfs. auftretende Effekte keinen Einfluss auf das Positionierverhalten haben (Abb. 5.17).

Abb. 5.16  Position der Einzelantriebe für Fadenführer

54

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

Abb. 5.17  Antriebe für Vorfadenführer und Fadenführer

Alle fadenführenden Elemente mit direktem Kontakt zum Herstellprozess des Geleges müssen nach Einschalten aus dem stromlosen Zustand sofort in der Lage sein, an der jeweils vorher beendeten Position weiter zu arbeiten, ein Einrichten oder Referenzieren hätte negativen Einfluss auf die Gelegequalität. Aus diesem Grunde sind alle elektrischen Komponenten mit Systemen zur Netzausfallsicherung und Gebersystemen zur Positionssicherung versehen. Bedienung und Musterung Die gesamten Einstellungen für das Modul Kettfadenversatz sind integraler Bestandteil der Anlagenbedienung und können somit über die Bedienoberfläche erreicht werden. Dazu gehören die Konfiguration, die Eingabe für die Positionierung und das Einrichten des Systems sowie die Definition von Grenzen. Die notwendigen Daten für das Modul werden mit allen anderen relevanten Maschinendaten abgeglichen und auf Konsistenz und mögliche Kollisionsbedingungen geprüft. Über die Bedienoberfläche ist auch eine einfache Eingabe von Musterinformationen möglich. Diese kann allerdings keine vollständige Mustereingabe darstellen, da der hierfür notwendige Datenumfang zu groß und die Zusammenhänge sehr komplex sind. Aus diesem Grunde ist für die Musterung ein separates, von der Maschinensteuerung unabhängiges Werkzeug geschaffen worden. Diese Mustersoftware ermöglicht die einfache Dateneingabe für die notwendigen Positionsinformationen der Antriebe und prüft direkt die Grenzwerte aller bewegenden Elemente. Für die schnelle Umsetzung in der Maschinensteuerung wird eine Datei erzeugt, welche über die vorhandene Rezepturverwaltung der Nutzeroberfläche der Anlage einfach eingespielt werden kann (Abb. 5.18). Parallel wurden verschiedene Maßnahmen zur Optimierung der Fadenzuführung durchgeführt. Zunächst wurde an unterschiedlichen Stellen der Fadenzuführung vom Ablaufgatter bis zu den Fadenführern die Fadenspannung der Einzelbändchen gemessen.

5  Entwicklung Legetechnologie

55

Abb. 5.18 Bedienoberfläche

Um die Fadenspannungswerte weiter zu reduzieren, wurden feste Umlenkstäbe durch drehende Umlenkungen ersetzt. Abb. 5.19 zeigt, welche Reduzierungen dadurch erreicht werden konnte. Wie in den Vorversuchen bereits ermittelt, kommt es auf eine gleichmäßige und relativ geringe Bandspannung an. Das wird erreicht, indem der Einstellwert für den Spulenablauf am Tangentialgatter relativ gering gewählt wird (max. 70 cN) und indem die Reibkräfte an den Umlenkungen bis zum Fadenführer entsprechend gering gehalten werden. Weiterhin von großer Bedeutung ist, dass der Austritt der Fasern aus den Fadenführern so nahe wie möglich an der Verfestigungs- bzw. Nähwirkstelle liegen muss. Je größer der Abstand der Fasern bis zur Fixierung, desto ungenauer ist die Abbildung des eigentlichen Musters, das dann entsprechend mit einem größeren Überhub korrigiert werden muss.

5.1.4 Optimierung Legeverhalten Im Rahmen der Optimierungsarbeiten wurde die gesamte Faserzuführung überarbeitet mit dem Ziel, die Spannung in den Einzelrovings sehr gering zu halten und Faserschädigungen zu vermeiden. Es sind nach dem Gatter Positioniereinheiten zum Einsatz gekommen, die Rollen am Fadenspeicher wurden breiter ausgelegt, die Fadenumlenkungen wurden drehend ausgeführt, um Reibkräfte zu minimieren und die Fadenspannung so gering wie möglich zu halten. Zudem wurden in beiden Ebenen des Kettfadenversatzmoduls alle

56

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

Abb. 5.19  Fadenspannungsmessungen mit erreichten Reduktionen (rot zu blau)

­ orfadenführer neu gefertigt und ausgetauscht. Eine definierte Einstellung der VorfadenV führer zu den Fadenführern erfolgte sowohl mechanisch als auch programmierseitig. Danach wurden vom Cetex Institut Grenzmuster entworfen, bei denen die textiltechnologischen Grenzen getestet werden sollten. Vor allem ging es darum, welche steilsten Winkel mit dem Legesystem abbildbar sind, wie klein der Umlenkradius wirklich gestaltet werden kann und nicht zuletzt, welchen Einfluss die Maschinengeschwindigkeit auf das Legebild hat. Die Auswertung der Grenzmusterversuche hat ergeben, dass die Legebilder generell gut bewertet wurden. Es ist (auch materialabhängig) zu erkennen, dass die Bändchen beim Übergang von der Rast (0°-Richtung) in die Winkellegung sich teilweise aufstellen oder einschnüren. Die Ursache hierfür liegt in den unterschiedlichen Fadenwegen zwischen Außen- und Innenradius, die nicht dynamisch genug ausgeglichen werden können, und ist vor allem bei kleinen Umlenkradien deutlich. Eine Abhängigkeit des Legemusters von der Anlagengeschwindigkeit wurde nicht nachgewiesen. In den Grenzmusterversuchen wurde nachgewiesen, dass der aus den Vorversuchen ermittelte minimale Radius von 40 mm nicht unterschritten werden sollte (Abb. 5.20).

5  Entwicklung Legetechnologie

57

Abb. 5.20  Legebilder der Grenzmuster 90°-Umlenkung und 45°-Umlenkung bei kleinsten Radien R = 40 mm

5.2

Schussfadenversatzmodul

5.2.1 Prinziplösungen und Konzeptauswahl (Abb. 5.21 und Tab. 5.2) Aufbau Modul Das Schussfadenversatzmodul besteht aus einem Portal, dem Legewagen sowie den Fadenzuführungselementen. Es ist im Gesamtprozess in Warenlaufrichtung gesehen vor dem Kettfadenversatzmodul angeordnet. Aufgrund des großen Abstands zur Nähwirkstelle muss eine Zwischenfixierung der Schussfäden am Rand und bei jedem Richtungswechsel im zu legenden Band erfolgen. Die dazu benötigte Fixiereinheit ist aus dynamischen Gründen nicht im verfahrbaren Legewagen oder Portal integriert. Sie wird als eigenständige Einheit vor dem Schusslegemodul auf die Grundmaschine montiert. Zur Entwicklung des Legewagens mit Einsatz eines Vorfadenführers sowie der Fadenzuführungselemente inklusive Spulengatter für den Schussfadenversatz wurde auf dem derzeitigen Entwicklungsstand des Kettfadenversatzmoduls aufgebaut. Eingesetzt werden hier modifizierte Fadenführer aus dem Kettfadenversatz. Dabei blieb die erprobte Geometrie der Fadenführeröse erhalten. Auswahl Fadenführerverstellung Im Unterschied zum Kettfadenversatz müssen die Fadenführer mit ihren Antrieben über die Arbeitsbreite der Grundmaschine entsprechend dem zu legenden Muster bewegt

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

58

Abb. 5.21  Erster schematischer Lösungsansatz für Schussfadenversatz Tab. 5.2  Lösungskonzepte für SFV Gatter für 12 Rovings seitliche Anordnung stationär

auf dem Legewagen

oberhalb des Legewagen stationär Legeeinheit Stringbarren Scherengitter

Vorteile

Nachteile

einfache Bedienbarkeit keine bewegten Massen ausreichend Länge zum Ausgleich der Versatzwege kurze Wege mit wenig Umlenkungen

lange Wege mit mehreren Umlenkungen

kurze Wege mit wenig Umlenkungen

jeder Roving einzeln positionierbar nur Fadenführerpaket in z-Richtung bewegen, geringe Masse

große bewegte Masse und damit Produktivitätseinbuße wenig freie Länge, um Changierhub des Rovings auszugleichen schlechtere Bedienbarkeit keine ausreichend Länge zum Ausgleich der Versatzwege große Masse in z-Richtung zu bewegen Rovings nur im Paket verfahrbar

(Fortsetzung)

5  Entwicklung Legetechnologie

59

Tab. 5.2 (Fortsetzung) Fixierungsvarianten Transportriemen mit Stiften

Vernähen (Einseitennähtechnik) Thermisches Fixieren Pulver, Hotmelt-­ Sprühkleber

Vorteile

Nachteile

sichere Fixierung beim Legen

nicht bis zur Nähwirkstelle fixiert Rovingbündelung am Stift Breitenverstellung für Richtungsänderung große Masse auf Legewagen, langsam, da Einseiten-­ Vielnadelkopf nicht verfügbar auf Legewagen Heizquelle Hotmelt-Einrichtung und Andrückrolle erforderlich

sichere Fixierung Richtungsänderung variabel keine Rovingbündelung Richtungsänderung variabel keine Rovingbündelung Baugruppe Pulverstreuer vor Legewagen kann angeordnet werden

Abb. 5.22  Positionen der Fadenführer bei Legewinkel 90° (senkrecht zur Warenlaufrichtung)

­ erden. Um die zu bewegende Masse möglichst gering zu halten, kamen keine Einzelanw triebe für die Fadenführer zum Einsatz. Es wurde auf ein in einem früheren Forschungsvorhaben eingesetztes Scherengitter zurückgegriffen. Dieses wurde überarbeitet und für den speziellen Einsatz für den Schussfadenversatz modifiziert. Die Fadenführer sind damit nicht unabhängig voneinander verfahrbar. Sie werden durch die Geometrie des Scherengitters über einen Antrieb auf eine zueinander gleiche, aber variable Teilung (abhängig vom Legewinkel) eingestellt (Abb. 5.22 und 5.23). Die Anordnung der Fadenführer im Schussfadenversatz ist bei der gezeigten Lösungsvariante stets parallel zur Einhängekette. Wird also eine Richtungsänderung von 90° (Schussrichtung) auf +45° oder −45° gewünscht, muss sich die Teilung der Fadenführer von 10 mm auf 14,14 mm ändern, damit die Breite des gesamten Bandes 120 mm beträgt.

60

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

Abb. 5.23  Positionen der Fadenführer bei Legewinkel +45°/−45° zur Warenlaufrichtung

Im Schussfadenversatz sollten die gleichen Fadenführer wie im Kettfadenversatz Anwendung finden. Es handelt sich dabei um in einem additiven Fertigungsverfahren hergestellte Teile, die eine Öffnung von 15 mm aufweisen, damit das im 45°-Winkel schräg liegende Einzelbändchen von 10 mm Breite nicht seitlich eingeschnürt wird. Die Oberfläche ist geglättet, und es sind überall Radien zur faserschonenden Verarbeitung vorgesehen. Legeprinzip Die in der Maschine gelegte Grundware bewegt sich in y-Richtung. Das Schussfadenversatzmodul besteht aus einem in Richtung +/− y beweglichem Portal und dem daran befestigten Legewagen, der in Richtung +/− x (Arbeitsbreite) beweglich ist. Die Bewegung der Grundware wird durch die Arbeitsgeschwindigkeit der Grundmaschine vorgegeben. Legewagen und Portal werden je nach zu legendem Muster dazu bewegt. Das Portal wird auf bewegliche Führungswagen einer auf dem Gestell der Grundmaschine befestigten THK-Führung montiert. Der erforderliche Antrieb ist gestellfest angeordnet (Abb. 5.24). Zum Legen eines Tapes bewegt sich der Legewagen von Position A (außerhalb der Einhängeketten) mit einem Leerhub (ohne Musterung) in die erforderliche Position B (innerhalb der Einhängeketten) zum Beginn der Musterlegung. Auf dem Rückweg zu Position A werden die Rovings als Tape entsprechend dem zu legenden Muster auf der Grundware abgelegt. Der zugehörige Antrieb wird vom Portal getragen. Um die erforderliche Tapelegung mit maximal 2 Richtungswechseln pro Legung ausführen zu können, muss der Legewagen neben den in der Teilung veränderbaren Fadenführern über weitere separat angetriebene Elemente verfügen. In der folgenden Abb. 5.25 wird der Legewagen in Position A dargestellt.

5  Entwicklung Legetechnologie

Abb. 5.24  Bewegungsrichtungen im Schussfadenversatzmodul

Abb. 5.25  Aufbau des Legewagens 1 Roving 2 Grundware 11 Einhängekette 12 Einhängestift 21 Vorfadenführer 22 Umlenkwalze 23 Scherengitter mit 12 Fadenführern 24 Umlenkstab 25 Legerklemme Unterklemme 26 Legerklemme Oberklemme abgesenkt 27 Andrücker angehoben 28 Niederhalter abgesenkt 29 Trenneinrichtung abgesenkt 30 Schneidbalken

61

62

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

Die vom Spulengatter über verschiedene Fadenführungselemente (u. a. Umlenkwalze 22) waagerecht gelieferten Rovings 1 durchlaufen den Vorfadenführer 21. Dort werden sie senkrecht zwischen in der Teilung (12 mm Teilung) unveränderlichen drehbaren Stäben geführt. Die erforderliche Position des Vorfadenführers über der Arbeitsbreite der Maschine entsprechend dem Legewinkel wird über einen am Legewagen montierten Antrieb realisiert. Die Rovings durchlaufen anschließend die Ösen der Fadenführer. Diese sind in 2 Ebenen angeordnet. Die Ebenen müssen übereinander liegen, damit ein gassenfreies Tape beim Ablegen entsteht. Ein folgender Umlenkstab 24 bestimmt den Einlauf der Rovings in die Legerklemme 25/26. Die Unterklemme 25 ist fest am Legewagen montiert. Zum Öffnen und Schließen der Legerklemme wird die Oberklemme 26 über einen Antrieb bewegt. Im Folgenden gelangen die Rovings zum Andrücker 27. Dieser ist beheizbar und über einen eigenen Antrieb beweglich. Das Andrückelement selbst ist an der Funktionsfläche z. B. mit Teflon beschichtet. Damit soll ein Ankleben von Teilen der Rovings und/oder der Grundware verhindert oder zumindest eingeschränkt werden. Weiterhin wird das Andrückelement seitlich von einem Niederhalter 28 umschlossen. Über einen Antrieb kann dieser gehoben oder gesenkt werden und soll eventuell angeklebte Faserteile von schon gelegten und fixierten Rovings sowie der Grundware beim Anheben des Andrückers verhindern. Danach folgt eine Trenneinrichtung 29. Diese wird zum Trennen über einen Antrieb abgesenkt, und das Trennelement wird motorisch verfahren. Somit entsteht ein freies Rovingende. Der Schneidbalken 30 ist nicht in den Legewagen integriert, sondern auf dem Maschinengestell befestigt (Abb. 5.26).

Abb. 5.26  Antriebskonzept Schussfadenversatzmodul

5  Entwicklung Legetechnologie

63

Ablauf einer Legung Der Legewagen befindet sich in der Position A. Trennelement, Andrücker und Niederhalter sind angehoben, die Legerklemme ist geschlossen. Der Legewagen verfährt in Kombination mit dem Portal zum Startpunkt der Musterlegung in die Position B. Der Andrücker senkt sich und befestigt die Rovings auf der Grundware. Gleichzeitig wird auch der Niederhalter abgesenkt. Nach der zum Fixieren erforderlichen Zeit hebt sich der Andrücker. Danach wird der Niederhalter angehoben, und die Legerklemme öffnet sich (Oberklemme wird gehoben). Der Schusswagen bewegt sich zur Stelle des nächsten Richtungswechsels im Muster. Wie gehabt, arbeiten Andrücker und Niederhalter, und der zweite Richtungswechsel wird gelegt und fixiert. Danach fährt der Legewagen in die Position A zurück. Die Legerklemme schließt sich und der Niederhalter senkt sich ab, um die Rovings in die Einhängestifte 12 einzudrücken und für den folgenden Trennvorgang zu positionieren. Das Trennelement senkt sich auf den Schneidbalken ab und verfährt zum Trennen der Rovings. Für das Legen eines weiteren Tapes wiederholt sich der gesamte Vorgang. Bewertung der dargestellten Lösung Eine Ausgangsanforderung für die Entwicklung des Schussfadenversatzmoduls war das Legen eines Tapes von Einhängekette zu Einhängekette unabhängig von der Dimension des herzustellenden Bauteils. Damit wird unvermeidlich Abfall produziert. Es ist sinnvoller, die Schussverstärkung im Bauteil endkonturnah abzubilden. Dazu muss das Tape ohne Zuhilfenahme der Einhängeketten verleg- und fixierbar sein. Die Trennstelle für die Rovings muss sich dazu zwischen und nicht außerhalb der Einhängeketten befinden. Für den zu entwickelnden Legewagen muss dazu das Trennelement zwischen Legerklemme und Andrücker/Niederhalter neu angeordnet werden. Damit aber weiterhin ein freies Rovingende zum Fixieren unter dem Andrückelement zu liegen kommt, muss eine Fördereinrichtung in den Legewagen integriert werden. Diese fördert die Rovings vor Beginn einer neuen Legung bei geöffneter Legerklemme bis auf die Position des Andrückers. Die Rovings laufen je nach erforderlichem Legewinkel immer von unterschiedlichen Richtungen vom Vorfadenführer in die entsprechenden Fadenführer ein (siehe Abb. 5.27). Somit ergeben sich variable Richtungen für die Förderung der Rovings, welche die zu entwickelnde Fördereinheit realisieren müsste. Um die gesamten möglichen Einlaufwinkel abzudecken, ist eine technisch komplizierte und geometrisch umfangreiche Einheit zu entwickeln und in den Legewagen zu integrieren. Diese Erkenntnis war die Grundlage der Entscheidung, einen drehbaren Legekopf zu entwickeln und einzusetzen. Diese Entwicklung wurde dann konstruktiv federführend vom Projektpartner KARL MAYER Technische Textilien GmbH vorgenommen. Fadenzuführung Aus den vorliegenden Erkenntnissen zum Kettfadenversatzmodul ist es auch beim Schussfadenversatz dringend erforderlich, die Fadenzuführung so zu gestalten, dass die Verstärkungsfasern so schonend wie möglich und mit geringer Fadenspannung zugeführt werden.

64

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

Abb. 5.27  Rovingauslenkung für Positionen Vorfadenführer bei Legewinkel 0°; +45°; −45° sowie Anordnung der Arbeitselemente im Legewagen

Abb. 5.28  Fadenführung am Schussfadenversatz

5  Entwicklung Legetechnologie

65

Die Rovings werden von elektronisch geregelten Ablaufstellen tangential von einem ­Texmergatter zugeführt und aufgrund der Platzverhältnisse durch Positioniereinheiten um 90° gedreht. Die möglicherweise frei werdende Faserlänge, die abhängig vom Legewinkel und der Richtungsänderung entsteht, wird durch einen aktiven Speicher (Kompensationsschussleger) aufgenommen. Über drehende Umlenkstifte werden die Fasern dann dem Legekopf auf dem in 2 Richtungen beweglichen Portal zugeführt (Abb. 5.28).

5.2.2 Umsetzung Schussfadenmodul Das Teilprojekt Schussfadenversatz beinhaltet die Aufgabenstellung für die Entwicklung und Umsetzung einer Funktionseinheit für das Legen von Fasern quer zur Produktionsrichtung des Geleges. Die Aussage quer zur Produktionsrichtung umfasst in diesem Falle die Winkel zwischen 45° und 135° (bekannt als ±45° und der Sonderform 90°). Wie im vorgehenden Teilprojekt ist auch dieses in modularer Bauweise auszuführen und zur Integration in bestehende Anlagentechnik vorzusehen. Bestandteil der Entwicklung sind mechanische und elektrische Hardwarekomponenten sowie die Software zur Ansteuerung. Die Einheit besteht aus den Baugruppen: • • • • •

Fadenzuführung mit Gatter, Speichereinrichtung und Fadenführung Portalsystem zur Bewegung des Legekopfes in x-/y-Richtung Legekopf mit Fadenlieferung und Fixierungselementen Fixiersystem Steuerungs- und Bediensoftware Für die detaillierte Beschreibung werden die Baugruppen in Prozessreihenfolge dargestellt.

Spulengatter mit Fadenspeicher und Fadenführung Für die Aufnahme und geregelte Bewegung der Faserspulen gelten dieselben Kriterien wie beim Kettfadenversatzmodul (vgl. Abschn. 5.1.2). Unterschieden wird nur bei der Anzahl der Spulen, welche mit 12 Stück definiert wurde. Hier kann mit den Daten der Faser ein geschlossenes Faserband von ca. 120 mm eingebracht werden. Im weiteren Prozessverlauf der Faserführung vom Gatter zum Legesystem ist als wesentliches Element der Fadenspeicher zu nennen. Ähnlich wie beim Kettfadenversatzmodul müssen durch die funktionsnotwendigen Bewegungsprofile der Portal- und Legeachsen unterschiedliche Fadenverbräuche ausgeglichen werden. Im Modul für den Schussfadenversatz ist durch die höheren dynamischen Abläufe hierfür allerdings ein aktives Element vorgesehen. Dieser Fadenspeicher wird durch einen Antrieb bewegt, dessen Verfahrkurve der Bewegung des Portals und dem daraus folgenden Fadenverbrauch angepasst ist (Abb. 5.29). Für die Auslegung der Faserführung gelten im Wesentlichen die Kriterien analog zum Kettfadenversatz, da das vorherrschende Funktionsprinzip gleich ist. Ein Unterschied

66

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

Abb. 5.29  Aktiver Fadenspeicher am Schussfadenversatz

Abb. 5.30  Drehende Fadenführungen zum Schussfadenversatz

­ esteht in der größeren Differenz des Fadenverbrauchs der Einzelfaser, welche zwar abb hängig vom Legemuster ist, aber anhand der bekannten Strukturen deutlichere Abweichungen annehmen kann. Hier gilt das Augenmerk dann auf die exakt getrennte Führung der Einzelfaser, um wechselseitige Beeinflussungen auszuschließen (Abb. 5.30).

5  Entwicklung Legetechnologie

67

Portalsystem Für den Eintrag der Fasern in die vorliegende Grundstruktur ist ein Funktionselement notwendig, welches den kompletten Bereich abdeckt  – über die gesamte Arbeitsbreite der Maschine und in Längsrichtung definiert, entsprechend den Legestrukturen und den berechneten Geschwindigkeiten der kontinuierlich bewegten Grundware und des Legesystems. Hierfür ist ein dem Stand der Technik entsprechendes und bereits auf Anlagen genutztes System anhand der Auslegung angepasst worden. Der nutzbare Bereich erstreckt sich über 1650 mm in der Breite und 4500 mm in der Länge (entspricht Produktionsrichtung). Mit dieser Konfiguration ist es auch möglich, mit einem Legekopf mehrere Spuren eines Faserbandes dicht nebeneinanderzulegen. Die Anpassung erfolgt mittels der Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Geschwindigkeit der Grundware und Geschwindigkeit des Legesystems und kann im Legemuster definiert und berechnet werden. Angetrieben wird das Portalsystem von 2 hochdynamischen Servomotoren, jeweils einer in X- und in Y-Richtung (Abb. 5.31). Beachtung in der Ausführung liegt auch in der Notwendigkeit der beidseitigen Zugänglichkeit zur Bedienung und Handhabung der Fasern und der damit einhergehenden Verwendung von Sicherheitsfunktionen zum Schutz des Bedienpersonals. Legekopf mit integrierter Fixierung Kernstück des Schussfadenversatzmoduls ist der Legekopf zur anforderungsgerechten Ablage der Fasern bzw. des Faserbandes. Die Funktion beinhaltet die Führung der Fasern, das Ablegen und die Fixierung des Faserbandes auf der Grundlage. Die Faserführung muss so gestaltet sein, dass eine verdrehungsfreie Zuführung der Einzelfasern während des vollständigen Legevorganges trotz einer Drehung des Legekopfes erfolgen kann. Dazu sind verschiedene Umlenkungen im Bereich der Zuführung der Fasern in den Legekopf als

Abb. 5.31  Konstruktionsentwurf Portalsystem

68

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

auch innerhalb des drehbaren Bereichs vorgesehen. Die Drehung des Legekopfes erfolgt über einen vollständig frei positionierbaren Antrieb, über den gesamten Verfahrbereich kann eine stufenlose Drehung innerhalb der definierten Ablagekriterien erfolgen (Abb. 5.32). Als weiteres Kriterium ist das Ablegen ohne Einschnürungen der Faser und ohne gegenseitige Beeinflussung der insgesamt 12 Fasern von hoher Bedeutung. Aus diesem Grunde ist die Gestaltung der Führungselemente im Legekopf in 2 Ebenen aufgeteilt. Dieses ermöglicht die Einzelbewegung der Fasern aufgrund unterschiedlichen Fadenverbrauchs im Legevorgang durch die Richtungsänderung und erlaubt trotzdem die Ablage eines geschlossenen Faserbandes. Bei geradliniger Ablage bleibt die leicht gespreizte und flache Form der Faser gut erhalten. Angetriebene Lieferwerkswalzen und pneumatische Andruckelemente unterstützen den Transport und den Vorschub der Fasern in den verschiedenen Abschnitten des Legeprozesses (Abb. 5.33). Abb. 5.32  Konstruktions­ent­ wurf schwenkbarer Legekopf

Abb. 5.33  Führungselemente in 2 Ebenen

5  Entwicklung Legetechnologie

69

Abb. 5.34  Schwenkbarer Legekopf

Bei Richtungsänderungen während des Ablagevorganges ist eine Fixierung des Faserbandes an der definierten Position notwendig. Hierfür ist im Legekopf eine Vorrichtung zur Erwärmung und zum Andrücken der Fasern integriert. Diese Heizstempel können sowohl die notwendige Temperatur als auch den benötigten Druck zum Halten der Fasern auf der Grundlage aufbringen. An der über das Legemuster definierten Position der Richtungsänderung befindet sich ein vorab eingebrachtes Klebevlies (Spunfab, vgl. auch Abschn. 5.2.3). Dieses Klebemittel wird durch die im Heizstempel befindlichen elektrisch beheizten Stäbe aufgeschmolzen und durch Druck auf die Fasern und die darauffolgende Abkühlung die Fixierung an der gewünschten Position erreicht. Die aufgebrachte Haltkraft ist ausreichend für die weitere Verarbeitung und den Transport der Fasern auf der Grundlage bis zur weiteren Fixierung aller Funktionsfasern in der Wirkstelle (Abb. 5.34).

5.2.3 Lösungskonzepte zur Schussfadenfixierung Ein wesentlicher Schwerpunkt innerhalb des KonText-Projektes war das Fixieren der Verstärkungsfasern auf der Grundware der Multiaxial-Maschine. Während die Kettfäden erst unmittelbar vor der Nähwirkstelle auf die Grundware abgelegt werden, benötigt man für die Schussfäden eine Möglichkeit, an den Rändern und vor allem bei Richtungswechseln die Fasern partiell auf der Ware zu fixieren. In einer Lösungssystematik wurden mit den Projektpartnern mehrere Möglichkeiten betrachtet und diskutiert:

70

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

a) Sprühauftrag Für einen Sprühauftrag sollten Auftragsdüsen direkt im Unterteil der Legerklemme integriert werden. Es gab im Cetex Institut Gespräche mit der Fa. FMP Technology, die Vorrichtungen zum Klebstoffauftrag entwickeln und herstellen. Leider waren die zur Verfügung stehenden Auftragsdüsen für pulsierenden Betrieb nicht geeignet und aufgrund des eingeschränkten Platzes wären diese auch nicht in das bestehende System integrierbar. Eine erforderlich werdende Neuentwicklung für den vorliegenden Anwendungsfall war innerhalb der Projektlaufzeit durch die Firma FMP Technology nicht möglich (Abb. 5.35 und 5.36). b) 3D-Druckköpfe vor Schussfadenleger Das Prinzip des 3D-Druckkopfes wurde nicht weiterverfolgt, da die Produktivität, also die Anlagengeschwindigkeit, sich zu stark einschränken würde und zudem ­befürchtet

Abb. 5.35  Prinzip Legewagen mit Sprühauftragssystem

5  Entwicklung Legetechnologie

71

werden muss, dass der Klebstoff die Wirkwerkzeuge verschmutzt und somit unbrauchbar macht. c ) Spunfabklebevlies-Zuführung vor Legekopf Eine kurzfristig umsetzbare Lösung der Fixierproblematik wurde gefunden unter Verwendung von „Spunfab“. Die Fa. AB-Tec bietet in unterschiedlichen Flächengewichten und aus unterschiedlichen Materialien (z. B. PA, PE, PO …) Klebevliese an, die bereits bei relativ geringen Temperaturen aufschmelzen und sich mit dem Trägermaterial verbinden (Abb. 5.37). Für die Fixierung wurde ein Polyamid-Copolymer-Klebevlies in der Materialspezifikation PA1203 mit einem Flächengewicht 30 g/m2 ausgewählt. Der Schmelzpunkt von diesem Klebevlies liegt im Bereich zwischen 85 °C bis 98 °C.

Abb. 5.36  Auftragsdüsen für Sprühklebstoff der Fa. FMP Technology

Abb. 5.37 Spunfab-Klebevlies

72

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

5.2.4 E  ntwicklung Fixiertechnologie und maschinenbautechnische Umsetzung Für das KonText-Projekt sind im Cetex Institut wie auch an der Textilmaschine in der OHLF in Wolfsburg Vorversuche durchgeführt worden, um die Eignung der Fixiermethode nachzuweisen und entsprechende Parameter festzulegen. Als Ergebnis dieser Versuche ist von den Projektpartnern entschieden worden, dass eine Fixierung (Verfestigung) auch zwischen den beiden Winkellegern für die Grundware notwendig wird, um einen Verzug der beiden Gelegelagen zu verhindern. Ansonsten erfolgt die Zuführung des Spunfabmaterials, an 4 Stellen über die Maschinenarbeitsbreite verteilt und in ihrer Position einstellbar, jeweils an den Rändern und zweimal im Bereich der Richtungsänderung. Bestückt werden jeweils 2 Einheiten von der Maschinenseite, die Verstellung an die gewünschte Position erfolgte zunächst manuell (Abb. 5.38). In der folgenden Abb. 5.39 ist die Anordnung der 4 einzelnen Spunfabzuführungen in unterschiedlichen Positionen dargestellt. Die türkisfarbenen Module befinden sich in der Einrichtungs- bzw. Bestückungsposition, die grau dargestellten Module befinden sich an der jeweiligen Endposition des möglichen Verstellweges. Somit wird gewährleistet, dass eine Fixierung über die gesamte Arbeitsbreite der Maschine eingestellt werden kann (Abb. 5.40). Das Spunfab wird als Rollenware in 150 mm Breite von einem mechanisch gebremsten Ablaufdorn von 2 angetriebenen Lieferwerken abgezogen und mittels einer Andruckrolle auf die Grundware aufgebracht. Die notwendige Temperatur zum Fixieren wird durch

Abb. 5.38  Konstruktionsentwurf Spunfablieferung

5  Entwicklung Legetechnologie

73

Abb. 5.39 Konstruktionsentwurf Träger mit Spunfabzuführungen in Bestückungs- und Arbeitsposition

Abb. 5.40  Träger mit Spunfabzuführungen und IR-Strahler

74

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

Abb. 5.41  Prinzip Spunfabablage für Demonstrator Fronthaubenverstärkung

e­ inen Infrarotstrahler erzeugt, dessen Leistung je nach erforderlicher Temperatur und Maschinengeschwindigkeit geregelt werden kann. Zwischen den beiden Lieferwerken ist eine Heißdrahttrenneinrichtung angeordnet, damit das Spunfab nur an den Stellen zugeführt wird, wo es erforderlich ist. Insgesamt kann eingeschätzt werden, dass der Aufwand für die Entwicklung des Schussfadenversatzmoduls die ursprüngliche Planung deutlich überstiegen hat. Dieser erhöhte Aufwand wurde in Abstimmung mit KARL MAYER Technische Textilien in Kauf genommen, da somit eine Lösung realisiert werden konnte, die eine deutlich höhere Flexibilität in der geometrischen Ausformung des Schussfadenversatzes ermöglicht und somit die Vermarktungschancen derartiger Textilmaschinen weiter erhöht (Abb. 5.41).

5.2.5 Optimierung Legeverhalten Die Erprobung des Spunfabmoduls auf der Textilmaschine lieferte verschiedene Erkenntnisse über das Verarbeiten des Klebevlieses und offenbarte, an welchen Stellen der Spunfababrollungen noch Optimierungen vorzunehmen sind. Das Spunfab besitzt eine Schmelztemperatur von ca. 90 °C und wird über IR-Strahler aktiviert. Die Breite der IR-Strahler beträgt der Rollenbreite entsprechend 150 mm. Allerdings zeigte sich im Legebild, dass das Spunfab mittig stärker als in den Randbereichen aufgeschmolzen ist. Die Ursache wird in einem ungleichmäßigen Strahlungseintrag des IR-Strahlers gesehen, obwohl vom Hersteller Optron versichert wird, dass der Strahler bei

5  Entwicklung Legetechnologie

75

fachgerechter Anwendung eine über die Breite von 150 mm gleichmäßige Strahlungsglocke aufweist. Weitere Ursachen für die Ungleichmäßigkeiten können in dem reflektierenden Material, den schwankenden klimatischen Bedingungen in der Halle und den unterschiedlichen Unterbauten des Materials liegen. Dennoch wird davon ausgegangen, dass breitere Strahler oder schmalere Spunfabbreiten zu einer gleichmäßigen Aktivierung des Spunfabs führen. Weitere Herausforderungen infolge des IR-Wärmeeintrags liegen in der Anpassung der Leistung der Strahler an die Verfahrensgeschwindigkeit. Mit steigender Geschwindigkeit der Warenbahn muss der Wärmeeintrag gesteigert werden. Legeversuche ergaben, dass kein pauschal linearer Zusammenhang besteht. Durch ausgiebigere Versuchsreihen, die im Rahmen des Projektes nicht umsetzbar waren, können mit Sicherheit zuverlässige Erkenntnisse bezüglich der Korrelation zwischen Strahlerleistung und Bahngeschwindigkeit ermittelt und steuerungstechnisch umgesetzt werden. Des Weiteren musste das Schneidverfahren optimiert werden. Es wurde ein mit Teflon beschichteter Heizdraht entwickelt, der in einen Spalt im Führungsblech eindringt und über die Wärme das Spunfab durchtrennt. Bei ersten Schneidversuchen bildeten sich starke Materialablagerungen am Heizdraht. Infolgedessen haftete das Spunfab an diesen Materialablagerungen an und verhinderte das fehlerfreie Fördern des Materials. Durch die Anpassung der Temperatur des Heizdrahts konnte dieser Effekt zwar minimiert, ein zuverlässiger Schneidvorgang über einen längeren Zeitraum hinweg ohne Reinigung konnte jedoch noch nicht erreicht werden. Die Erprobung weiterer Schneidverfahren in großem Umfang war innerhalb des Projektes nicht umsetzbar (Abb. 5.42). Verbesserungspotenzial weist auch die Lagerung der Förderwalzen auf. In dem Spunfabmodul wird das Material über 2 gummierte Walzen über ein Blech gefördert. Angetrieben werden sie über einen Motor mit Riementrieb. Optimal wäre ein unabhängiger Antrieb

Abb. 5.42  Heizdraht mit Materialrückständen

76

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

pro Walze, um das Material beim Schneiden spannen und zurückziehen zu können. Hierdurch wird dem Bilden von Materialrückständen und dem Ankleben des Spunfabs am Heizdraht vorgebeugt. Nicht optimal ist zudem die einseitige Lagerung der Lieferwerkswalzen. Durch die hohe Anstellkraft der pneumatischen Zylinder biegen sich die Walzen am freien Ende auf. Infolgedessen liegen sie nicht plan auf dem Blech auf, und das Material wird teilweise schräg gefördert. Im Rahmen weiterer Optimierungsarbeiten können die erkannten Mängel beseitigt werden. Hinsichtlich des drehbaren Legekopfes hat sich nach Inbetriebnahme des Schussfadenversatzmodules herausgestellt, dass auch in dieser Baugruppe Optimierungsbedarf besteht. Die Lieferwerkswalzen mussten ebenfalls beidseitig gelagert werden, damit eine gleichmäßige Lieferung aller Bändchen gewährleistet ist. Bei einer Richtungsänderung kann der unterschiedliche Fadenbedarf durch den gemeinsamen Antrieb nicht genügend ausgeglichen werden. Dickenschwankungen in den einzelnen Rovings werden nur durch eine segmentierte Walze ausgeglichen, eine durchgehende Walze neigt zu Schlupf oder ungenügender Lieferung. Da im Legekopf keine Spreizung der Rovings erfolgt, ist das Legeergebnis nicht bei jedem Material ein geschlossenes Band. In Winkellegung wurde eingeschätzt, dass das Tape ausreichend gassenfrei gelegt wird. Während die Schneideinrichtung am Leger prozesssicher funktioniert, besteht weiterer Optimierungsbedarf am schwenkbaren beheizten Stempel zum Andrücken der Fasern auf die mit Spunfab vorfixierte Grundware. Die Klebstelle muss anschließend mit Luft gekühlt werden. Durch eine Teflonbeschichtung des Stempels ist die Klebneigung weitestgehend minimiert worden. Damit eine ausreichende Fixierung erreicht wird, muss der Stempel jedoch ca. 1 s auf die Fasern drücken. Bei 3 Andrückvorgängen pro Richtungsänderung ist der Prozess damit erheblich zu langsam. Die Produktionsgeschwindigkeit der MAG-Anlage sinkt mit der gewählten Fixiermethode auf nur noch 0,5 m/min. Demnach kann von einer großserientauglichen Lösung nicht mehr gesprochen werden, und es muss eine alternative Fixierung eingesetzt werden. Mit den durchgeführten Optimierungsarbeiten wurde ein Stand erreicht, der es ermöglicht, in der OHLF textile Verstärkungsmuster mit Kett- und Schussfadenversatz zu fertigen. Die gewonnenen Erkenntnisse aus den Versuchen sind hilfreich für die Weiterentwicklung der Maschine zur Serie und werden von der KARL MAYER Technische Textilien GmbH in die zukünftigen Entwicklungsarbeiten mit einfließen.

5  Entwicklung Legetechnologie

5.3

77

Musterprogrammierung

5.3.1 Kettfadenversatz Da die Programmierung von Mustern für den Kettfadenversatz, bedingt durch die Stringbarrentechnologie (Einzelantriebe der insgesamt 24 Fadenführer und Gruppenantriebe der Vorfadenführer), einen sehr hohen zeitlichen Aufwand bedeutet, d. h. die Eingabe von ­einigen tausend bis einigen zehntausend Einzelwerten je nach Muster, sind beim Cetex In­stitut Lösungsansätze erarbeitet worden, die die Musterprogrammierung erheblich ­verein­fachen. Bedingt durch den Abstand zwischen Fadenaustritt und Fixierstelle ergibt sich ein Unterschied zwischen der Bewegung des Fadenführers und dem resultierenden Legemuster, was bei der Programmierung der Legekurven beachtet werden muss (Abb. 5.43 und 5.44). Abb. 5.43  Überhub der Fadenführer

Abb. 5.44  Abstände für Korrekturfaktor Überhub zur Kurvenberechnung

78

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

Anhand der Grenzmuster wurde das entwickelte Programm in der OHLF erprobt. In einer ersten Stufe entstand ein übersichtliches und einfaches Eingabeprogramm mit wenigen Eingabewerten (Eingabe von Länge und Versatz sowie Radius eines jeweiligen Legeabschnittes) für geschlossene Bänder mit 12 Fadenführern nebeneinander. In diesem Programm enthalten sind sowohl die Anzeige des Legemusters als auch die Korrekturen, die sich aus dem Abstand zwischen Fadenführer und Nähwirkstelle ergeben. Außerdem sind Kollisionsbetrachtungen der Einzelfadenführer Bestandteil des Programmiertools (Abb. 5.45). Bei Mustern als geschlossenes Band mit 12 Einzelrovings werden die durch den Versatz der Fadenführer und der Arbeitsstelle auftretenden Kollisionen automatisch von der Mustermitte nach außen hin korrigiert. Bei den ebenfalls in der OHLF erprobten Mustern mit unterschiedlichen Legungen in 3er-Gruppen treten größere Kollisionen auf, die interaktiv korrigiert werden mussten. In den gezeigten Beispielbildern mit den Ausgabewerten an die Maschine ist die Korrektur der Kollisionen dargestellt, die vor allem bei den Vorfadenführern auftreten. Infolge der Kollisionskorrektur befinden sich dadurch die Vorfadenführer nicht an den erforderlichen Positionen, sodass die Legung der Bänder nicht exakt auf der Vorgabekurve erfolgt. Um

Abb. 5.45  Bedienoberfläche bei der Programmierung von neuen Mustern

5  Entwicklung Legetechnologie

79

ein möglichst exaktes Ergebnis zu erzielen, ist es daher erforderlich, die Konstruktion des Kurvenverlaufes so vorzunehmen, dass möglichst geringe oder gar keine Kollisionen der Fadenführer bzw. Vorfadenführer auftreten. Abb. 5.46 zeigt die theoretisch errechneten Bewegungen für die Fadenführer (rote Linie) und die Vorfadenführer (blaue Linien). Es ist zu erkennen, dass die blauen Linien sich kreuzen und somit eine Kollision der Vorfadenführer entsteht. Dies bedeutet, dass die Bewegungsverläufe korrigiert werden müssen, damit die Kollision vermieden wird. Das Ergebnis zeigt Abb. 5.47.

Abb. 5.46  Legemuster in 3er-Gruppen ohne Korrektur

Abb. 5.47  Legemuster in 3er-Gruppen mit Korrektur

80

H.-J. Heinrich und T. Heinecke

5.3.2 Schussfadenversatz Das Funktionsprinzip des Moduls für den Schussfadenversatz ermöglicht die vollständige Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Raumes, das Portalsystem und der drehbare Legekopf kann jede Position anfahren. Da die Geschwindigkeit der Portalantriebe relativ zur Geschwindigkeit der Grundware angepasst werden kann, erhöht sich die Varianz der Einsatzmöglichkeiten mit nur einem Modul (z.  B.  Kreuzen von Schussfadenbahnen). Sinnvolle Legemuster ergeben sich allerdings nur unter Beachtung der Eigenschaften der Fasern (Abb. 5.48). Um die notwendigen Informationen für das Legemuster eingeben und daraus Verfahrsätze für die Antriebe berechnen zu können, wird die Software MathCad genutzt. Hier wurden die Kriterien und Formeln für das Modul Schussfadenversatz zu einem Datensatz zusammengefasst. Schnittstellen dabei sind eine Eingabemaske für Daten und eine Ausgabedatei zur Übergabe an die Anlagensteuerung. Konfigurierbar sind bestimmte Anlagenkenndaten (wie z. B. die Arbeitsbreite der Anlage) oder Basisdaten der jeweiligen Ausführung des Moduls (z. B. Anzahl der Einzelfasern). Die wesentlichen Eingabeparameter umfassen den Startpunkt des Legezyklus, die Länge der Verfahrwege, die Anzahl und Positionen der Richtungsänderungspunkte und deren Winkel sowie die Anzahl der sich

Abb. 5.48  Schematischer Ablauf Schussfadenversatz

5  Entwicklung Legetechnologie

81

wiederholenden Rapporte. Für jeden Richtungsänderungspunkt werden auch die ­notwendigen Informationen zur Fixierung, wie Anzahl der Andruckarbeitspunkte und die Temperatur des Heizstempels, definiert. Die letztgenannten Informationen hängen im Wesentlichen von der Größe des Richtungsänderungswinkels ab und können anhand von Erfahrungswerten als Basisdaten zur Vereinfachung für spätere Mustererstellungen im Berechnungswerkzeug abgelegt werden. Das Ergebnis der Berechnung umfasst einen vollständigen Datensatz für die aktiven Komponenten des Moduls, wie Antriebe im Legekopf und im Portalsystem sowie im Fadenspeicher und auch die Einstellungen für das Fixiersystem mit Heizung und Andruckstempel. In einem späteren Schritt zur Erreichung der Serienreife der Module Kett- und Schussfadenversatz werden die Werkzeuge zur Mustereingabe beider Systeme zu einem gemeinsamen Programm zusammengeführt. Die Schnittstelle zur Anlagensteuerung organisiert die Verteilung der notwenigen Musterinformationen auf die Module in der Anlage.

6

Halbzeug- und Bauteilherstellung Daniel Nebel

Zusammenfassung

In Kapitel 6 wird die Anwendung der entwickelten Technologie anhand einer Bauteilstudie validiert. Zunächst wird hierzu basierend auf einem Referenzbauteil ein virtuelles Modell zur Berechnung und Optimierung basierend auf dem Einsatz der belastungsgerechten hybriden Textilien aufgebaut und der passende Lagenaufbau mit jeweils geometrischer Ausprägung der Verstärkungsfasern ermittelt. Im Anschluss werden alle weiteren Schritte von der textilen Produktion unter Einsatz der entwickelten Funktionsmodule inkl. Betrachtung der auftretenden Heraus­ forderungen wie z.  B.  Fehlstellen und Ungenauigkeiten über den Zuschnitt und die Imprägnierung als ebene Halbzeuge bis hin zur Fertigung des endgültigen Demonstratorbauteils durch Umformung und Spritzguss detailliert ausgeführt. Abschließend wird ein Fazit zur Eignung der textilen Technologie und des erzielten Erfolges unter Betrachtung der bestehenden Herausforderungen gegeben.

D. Nebel (*) Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Fraunhofer-­ Projektzentrum Wolfsburg, Wolfsburg, Deutschland E-Mail: [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 K. Dilger (Hrsg.), Kontinuierliche kraftflussgerechte Textiltechnologien für Leichtbaustrukturen in Großserie, Zukunftstechnologien für den multifunktionalen Leichtbau, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61003-9_6

83

84

D. Nebel

Um die Imprägnierung der faserverstärkten Halbzeuge mit Thermoplastmatrix zu unterstützen, ist die Multiaxialanlage in der Open Hybrid LabFactory so ausgerüstet, dass an verschiedenen Positionen der Anlage Matrixmaterialien in Form von Folien- oder Vliesbahnen zugeführt werden können. Je nach Bestückung der Anlage ist es möglich, diese Matrixmaterialien zwischen den Lagen des Geleges, auf der Oberseite des Geleges oder zwischen den Kettfaden- und

SF-Leger 2

SF-Leger 1

SF-Leger 2

SF-Leger 2 SF-Leger 1

SF-Leger 1

SF-Leger 2

SF-Leger 1

Abb. 6.1  Varianten der Einbringung von thermoplastischen Matrixmaterialien

KF-Leger 1

Arbeitsbreite

KF-Leger 2 KF-Leger 1

KF-Leger 1 KF-Leger 2 KF-Leger 1

Bewegungsrichtung zur Wirkstelle

Abb. 6.2  Musteranordnung über die Maschinenbreite

6  Halbzeug- und Bauteilherstellung

85

Schussfadenlagen mit einzubringen. Die nachfolgende Abb.  6.1 zeigt die Varianten der Einbringung von thermoplastischen Matrixmaterialen. Mit einer entsprechenden Anzahl Fadenführern in einer Serienmaschine können mehrere Bauteilmuster gleichzeitig gefertigt werden, was die Produktivität weiter erhöht und die Großserienfähigkeit solcher Anlagen unter Beweis stellt (Abb. 6.2).

6.1

Bauteilstudie Sitzdurchlade

Ziel ist die Darstellung einer belastungsgerechten Sitzdurchlade als Technologiedemons­ trator für die thermoplastische Prozesskette. Hierfür wurde ein Bauteil definiert, das durch die Anwendung von Glasfaser-Organoblech in Kombination mit Spritzguss einen Benefit gegenüber früheren Stahlvarianten zeigen konnte. Ziel der Bauteilstudie ist die weitere Optimierung dieses Bauteils durch Nutzung von Kohlenstofffasern und deren Applikation mittels MAG-K/S-V-Anlage.

6.1.1 Referenzstruktur Die Referenzstruktur der Bausteilstudie stellt eine vom Institut für Strukturleichtbau und Kunststofftechnik der Technischen Universität Chemnitz (SLK) und der Firma Brose entwickelte Sitzdurchlade dar, welche mit einem 8-lagigen Glasfaser-UD-Gelege und glasfaserverstärktem Spritzgussmaterial produziert wurde (siehe Abb. 6.3) Es existieren drei für dieses Bauteil zu berücksichtigende Lastfälle, für welche in Tab. 6.1 die statischen Ersatzlastfälle dargestellt sind. Relevant sind insbesondere Lastfall 1 und 3, wobei weniger die Festigkeit, sondern vielmehr die notwendige Steifigkeit im Crashlastfall mit einer maximalen Verschiebung von 100 mm Herausforderungen an die Bauteilstruktur stellt. Gerade deshalb kann der Einsatz von versteifenden Kohlenstofffasern einen Vorteil in der Bauteilperformance bieten. Das Bauteil besteht aus einem 8-lagigen Glasgelege [−45°3/+45°]S mit einer Dicke von 2 mm. Der übrige Teil des Bauteils besteht aus glasfaserverstärkem Spritzgussmaterial. Zur besseren Vergleichbarkeit wird die Referenzstruktur in die für die Bauteilstudie genutzte Ansys-Modellierung überführt und als Ausgangsbasis für die relevanten Lastfälle analysiert. Die Modellierung der Lastfälle entspricht der Belastungart in Zusammenspiel mit der Baugruppe. So wird z. B. im Lastfall 3 kein Moment angesetzt, sondern über einen Hebelarm, welcher die Kopfstütze darstellt, und eine dort wirkende Kraft von 2400  N das Moment erzeugt. Die Einspannbedingungen sind in Abb.  6.4 dargestellt.

86

D. Nebel

Abb. 6.3  Stahlsitzdurchlade in Baugruppe (Links) und Organoblech-Spritzguss Sitzdurchlade (Rechts) [22]

Abb. 6.4  Einspannbedin­gungen Sitzdurchlade [22]

6  Halbzeug- und Bauteilherstellung

87

6.1.2 K  onzeption und Berechnung einer belastungsgerechten Durchlade Im ersten Schritt sollen die Lastpfade der Geometrie identifiziert werden. Hierfür wird die gesamte Bauteilstruktur mit einem isotropen Material versehen und mit den drei Lastfällen aus Tab.  6.1 jeweils beaufschlagt. Ein Topologieoptimierungsalgorithmus in Ansys lässt sich hinsichtlich der Beibehaltung der höchstbelasteten Bauteilbereiche konfgurieren (in diesem Falle 75 %) und gibt als Ergebnis eine entsprechende Fragmentstruktur zurück. Lastfall 2 ähnelt in seinem Ergebnis stark Lastfall 3, welcher höhere Anforderungen an das Tab. 6.1  Statische Ersatzlastfälle für Sitzdurchlade Referenzstruktur [22] Lastfall 1

Statische Vergleichslast für eine Belastung durch einen Gurt F1 = 4100 N Lastfall 2

Statische Vergleichslast für eine Beladung im Kofferraum F2 = 11.500 N (Fortsetzung)

88

D. Nebel

Tab. 6.1 (Fortsetzung) Lastfall 3

Statische Vergleichslast für die Belastung bei Heckcrash 2-stufig M3_Ges = ~1000 Nm F4_Ges = 4000 bis 11.500 N

Bauteil stellt. Lastfall 2 wird deshalb nicht länger in der Dokumentation betrachtet. In Tab. 6.2 sind die beiden relevanten Lastfälle 1 und 3 für die isotrope Durchlade dargestellt sowie das sich ergebende Optimierungsmodell für die jeweiligen Berechnungen. Diese beiden Optimierungsmodelle können nun in CAD zusammengefasst werden und dienen als Bauraum für die zu erstellende Lastpfadstruktur. Die Orientierung der Lastpfade im Bauraum erfolgt unter Berücksichtigung des ermittelten Verformungsverhaltens. Die Dimensionierung von Lastpfadbreite, -dicke, der maximalen Winkeländerungen und Überlappungen sowie des Gesamtaufbaus unterliegt den Randbedingungen, welche nachfolgend kurz zusammengefasst sind: Randbedingungen • Mustergeometrie auf MAG-KV- und MAG-K/S-V-Technologie herstellbar • Maximal zwei unterschiedliche Muster, welche durch Filmstacking bei Organoblechproduktion zusammengeführt werden • Feinheit einzelner Lastpfade mit mindestens drei Rovings definiert und von gleicher Stärke, d. h. ein Kohlenstofffasertyp für die gesamte Struktur • Erweiterung des ursprünglichen Organoblechvolumens um äußeren Stegbereich • Äußerer Stegbereich mit Lastpfadfeinheit von einem Roving rechnerisch betrachtet • Obere und unterste Deckschicht in Form einer 300 g/m2-Glasgelegeschicht • Organoblechdicke maximal 2 mm

6  Halbzeug- und Bauteilherstellung

89

Tab. 6.2  Topologieoptimierungsergebnisse der isotropen Durchlade für statische Ersatzlastfälle. (Quelle: Fraunhofer IWU, Volkswagen AG) Lastfall 1

Statische Vergleichslast für eine Belastung durch einen Gurt Lastfall 3

Statische Vergleichslast für eine Beladung im Kofferraum

• Annahme der Lastpfadberücksichtigung im Spritzgusswerkzeug für Bauteilstudie • Materialdaten für Glasgelege und Spritzgussmaterial entsprechend dem Referenzbauteil • Materialdaten für Kohlenstofffaser-UD-Tape auf Basis eines am Markt erhältlichen Produktes der Firma Celanese • Optimierungsparameter für ein festgelegtes Muster: Tapedicke Das erste Modell deckte unter diesen Bedingungen die Optimierungsgeometrie vollständig ab und hielt den Belastungen bereits stand. Es zeigten sich jedoch mehrere Bereiche, in welchen Spannungsüberhöhungen eintraten, die in Folge des anisotropen Materials entstehen. Eine weitere Anpassung der Geometrie ergab schließlich die finale Mustergeometrie, dargestellt in Abb. 6.5. Der Lagenaufbau geht von einer Einzelschichtdicke der Glasfasergelege von 0,075 mm sowie einer Einzelschichtdicke der Kohlenstofffasertapes von 0,4 mm aus. Die Lastpfadstruktur ist entweder einfach als Kett- und Schussfadenversatzmuster oder mit 2 Mustern als Kettfadenversatzlösung herstellbar. Die Gesamtdicke in den in Abb. 6.5 roten Über-

90

D. Nebel

Abb. 6.5  Simulationsmodell der belastungsgerechten Sitzdurchlade (links) und Lagenaufbau (rechts). (Quelle: Fraunhofer IWU, Volkswagen AG)

lappungsbereichen der Muster beträgt 1,9 mm. Die Dicke in den grünen Lastpfadbereichen beträgt 1,1 mm und in den blauen Bereichen mit reinem Glasfasergelege 0,3 mm.

6.1.3 Potenzial- und Wirtschaftlichkeitsanalyse Um eine Vergleichbarkeit der Berechnungsergebnisse zu gewährleisten, wurde die Referenzstruktur in das neu erstellte Ansys-Modell implementiert und so unter gleichen Bedingungen wie die lastpfadgerechte Sitzdurchlade berechnet. In Tab. 6.4 sind die Ergebnisse für die Referenzstruktur und in Tab. 6.5 die der belastungsgerechten Durchlade bei Lastfall 1 sowie Lastfall 3 Schritt 1 und Schritt 2 dargestellt. Die der Simulation zugrunde liegenden Materialdaten sind in Tab. 6.3 aufgelistet. Die Gegenüberstellung der sich ergebenden Leistungsdaten sind in Tab. 6.6 aufgelistet. Sowohl Referenz als auch die optimierte Variante weisen in Lastfall 3 eine ausreichend geringe Verschiebung von unter 100 mm auf. Dies ist jedoch auf die Nutzung von statischen Ersatzlastfällen zurückzuführen. In realen Bauteiltests erfüllte die Referenzstruktur dieses Kriterium nur knapp. Auf Basis der Ergebnisse ist davon auszugehen, dass auch die belastungsgerechte Variante dieses Kriterium erfüllt. Die vergleichsweise hohe Spannung ist auf Netzverzerrungen an Übergangspunkten eines der lokalen Taperänder zurückzuführen. Die Spannung über das Bauteil liegt insgesamt unter 500 MPa und stellt somit eine ausreichende Sicherheit dar.

6  Halbzeug- und Bauteilherstellung

91

Tab. 6.3  Materialdaten für Bauteilberechnung Parameter Einheit CF-Tape E bzw. E1 GPa 107,7 GPa 6,2 I E2 – 0,02 I ν MPa 1932 I X bzw. Xt MPa 50 I Yt MPa 500 I Xc GPa 0,8 I G12 S MPa 30 I 3 1,46 g/cm ρ % 48 ϕ d mm 0,2 II E: E-Modul (isotrop) E1: E-Modul in Faserrichtung E2: E-Modul quer zur Faserrichtung X: Zugfestigkeit (isotrop) Xt: Zugfestigkeit in Faserrichtung Yt : Zugfestigkeit quer zur Faserrichtung Xc: Druckfestigkeit in Faserrichtung G12: Schubmodul in Lagenebene S: Schubfestigkeit in Lagenebene ρ: Dichte ϕ: Faservolumenanteil d: Lagendicke

OrganoblechIII SpritzgussIII 28 9,4 3,7 9,4 0,25 0,4 670 IV – 108 IV – – – 1,42 3,35 – – 1,74 1,70 – – 0,075 II – I: Fraunhofer STEX Materialdatenbank II: Vorgaben MAG-KV III: Materialdaten aus HM-Modell (SLK) IV: Datenblatt Tepex® Dynalite

92

D. Nebel

Tab. 6.4  Berechnungsergebnisse Referenzstruktur mit Gesamtverformung (links) und maximaler Hauptspannung (rechts). (Quelle: Fraunhofer IWU, Volkswagen AG) Lastfall 1

Lastfall 3, Lastschritt 1

Lastfall 3, Lastschritt 2

6  Halbzeug- und Bauteilherstellung

93

Tab. 6.5  Berechnungsergebnisse belastungsgerechte Durchlade mit Gesamtverformung (links) und maximaler Hauptspannung (rechts). (Quelle: Fraunhofer IWU, Volkswagen AG) Lastfall 1

Lastfall 3, Lastschritt 1

Lastfall 3, Lastschritt 2

94

D. Nebel

Tab. 6.6  Ergebnisvergleich zwischen Referenz- und belastungsgerechter Durchlade. (Quelle: Fraunhofer IWU, Volkswagen AG) Parameter Einheit Referenzbauteil Belastungsgerechte Durchlade Lastfall 1 mm 2,58 7,95 Umax MPa 37,82 237,48 σ1max Lastfall 3; Lastschritt 2 mm 20,18 17,25 Umax MPa 167,08 2479,1∗ σ1max kg – 0,18 mTape kg 1,82 1,63 mSpritzguss kg 0,53 0,11 mGFK kg 2,35 1,92 mGes % – 208,1 ΔULF1 % – ΔULF3;LS2 −14,52 % – −18,29 ΔmGes LF1/LF3  Lastfall 1/3 LS1/LS2  Lastschritt 1/2 Umax  Betrag der maximalen Verformung σ1max  Maximale Hauptspannung in Laminat (Spritzgussteil wird nicht berücksichtigt) mTape  Masse Tapes mGFK  Masse GFK-Organoblech mSpritzguss  Masse Spritzguss (inklusive Kunststoffschichten) mGes  mTape + mSpritzguss + mGFK ∗ Hohe Spannungswerte wegen der Spannungsüberhöhung bei unregelmäßigem Netz. Hauptspannung sonst unter 500 MPa

Die Frage der Wirtschaftlichkeit ist nicht eindeutig zu klären. Dies ist unter anderem abhängig von der Wahl der für die Lastpfade eingesetzten Kohlenstofffasern und richtet sich auch nach den für den Anwender spezifischen Produktpreisen. Die optimierte Variante ist unter Anwendung der in der Simulation genutzen Materialien und den für das Fraunhofer IWU geführten Kosten 0,33 € teurer und verursacht somit 0,78 €/kg Mehrkosten. Dies basiert auf Kostensätzen für eine Zoltek-Faser mit 50K Feinheit. Insbesondere die Kohlenstofffasern sind der kostentreibende Faktor. Im Hinblick auf die Optimierungskriterien bietet sich hingegen noch weiteres Einsparpotenzial bei der Erweiterung der Freiheitsgrade hinsichtlich • Tapedicke, • Tapebreite sowie • des verwendeten Tapematerials je Lastpfad.

6  Halbzeug- und Bauteilherstellung

6.2

95

Halbzeug- und Bauteilherstellung

Basierend auf der durchgeführten Bauteilstudie konnte das Potenzial aufgezeigt werden, welches sich durch die Erschließung eines gesteigerten Gestaltungsfreiraums in der Halbzeugebene ergibt. In den nachfolgenden Unterkapiteln sind die Erkenntnisse der Anlagennutzung und der weiterverarbeitenden Schritte dokumentiert. Hierbei wird Bezug auf allgemeine Fragestellungen, Demonstratorstrukturen für die Anlagenauslegung und die Umsetzung der vorangegangenen Bauteilstudie genommen.

6.2.1 A  nwendung der Multiaxialgelegetechnologie mit variabler Kett- und Schussfadenversatzverstärkung Die Funktionsweise der neuartigen Versatzmodule sowie der Multiaxialgelegetechnologie selbst ist den Abschn. 3.3 und Kap. 5 zu entnehmen. Die Gesamtanlage ist in Abb. 6.7 schematisch dargestellt. Bei Anwendung dieser Module einzeln und in Kombination sowohl mit der Gelegetechnologie und/oder alternativen Trägermaterialien entstehen verschiedene textile Halbzeuge, welche im Rahmen des Projektes analysiert und ausgewertet wurden (Abb. 6.6). Abb. 6.6  Schussleger für Glasfasergelegelage

96

D. Nebel

Abb. 6.7  Schematische Darstellung der Multiaxialgelegemaschine mit Kett- und Schussfadenversatzmodul sowie maximal mögliche hybride Lagenaufbauten. (Quelle: Fraunhofer IWU)

Die beiden in Abb.  6.7 unten dargestellten Aufbauten stellen die maximal mögliche Einbringung und Kombination an Materiallagen dar. Die erste Materialabwicklung ist hierbei sowohl vor als auch nach den Glaslegern positionierbar. Jede Lage ist entfern- und so der Gesamtaufbau anpassbar. Für die Kettfadenversatzlage ist zusätzlich eine Dopplung durch Kreuzung von Rovings möglich. Bei Anwendung von Matrixmaterial als externe Grundware empfiehlt sich die Anlagenkonfiguration mit Abwickler nach dem Glasfasergelege, da in der Weiterverarbeitung durch Filmstacking der Aufbau oberhalb und unterhalb beliebig z. B. mit Matrixmaterial erweitert werden kann. Bezüglich der eingesetzten Materialien wurde sich auf Basis der Materialauswahl in Abschn. 4.1 festgelegt. Die Grammatur der Glasgelegelagen wird durch die Feinheit der Glasfasern sowie deren Anzahl je Legebreite bestimmt. Die Legebreite und Anzahl an Rovings je cm ist mit einer Legeschiene am Schussleger einstellbar (siehe Abb. 6.6). Es wurde sich im Rahmen des Projektes auf 600 g/m2 und 300 g/m2 Glasfasergelege fokussiert. Für die externe Zuführung von Matrixmaterial standen Folien aus Ultramid® B3S und einem vom Wachstumskern thermoPre qualifizierten Polypropylen zur Verfügung. Analog erfolgten rein textile Versuche mit Polyamidvlies als alternative Halbzeugform. Für das Schuss- und Kettfadenversatzmodul kamen sowohl 24K- als auch 48K- und 50K-Rovings zum Einsatz. Die sich einstellende Grammatur richtet sich hier nach der ab-

6  Halbzeug- und Bauteilherstellung

97

schließenden Legebreite der Rovings, welche mit rund 10 mm je Roving vorlag. Hieraus ergab sich auf textiler Ebene eine gemittelte Grammatur von: • 160 g/m2 für 24K-Rovings entsprechend 0,089 mm textiles Dickenvolumen und • 374 g/m2 für 50K-Rovings entsprechend 0,20 mm textiles Dickenvolumen. Nicht berücksichtigt ist die sich einstellende Einschnürung von Rovings bei Versatzfahrten. Für 50K-Rovings wurde eine minimale Legebreite von 5 mm bei einer 60°-Winkeländerung ermittelt, welche in einer Verdopplung der Grammatur gegenüber 10  mm Legebreite resultiert. Zu berücksichtigen ist, dass im Zuge der Imprägnierung Einschnürungen in der Ebene z.  T. verpresst werden. Hieraus resultiert eine Verminderung der Grammatur, jedoch einhergehend mit lokalen Abweichungen der angestrebten Faser­ orientierung. Hybride Textilien mit Matrixmaterial in Vliesform Es wurden im Zusammenspiel aus Glasfasergelegegrundmaterial und Kettfadenversatzmustern die Einbringung von Matrixmaterial in Vliesform erprobt. Vlies eignet sich als Halbzeugform, da auch besonders niedrigviskose Kunststofftypen verwendet werden können. Vlies stellt jedoch eine ausgesprochen offenporige Struktur dar, welche sich mit Luft füllt und so deutlich in Dickenrichtung aufbauscht. Dies führt bei der Verarbeitung auf der Anlage und im Zusammenspiel mit einer Aufwicklung zu Schlaufenbildung (siehe Abb. 6.8). Grund hierfür ist die Biegung in der Halbzeugebene und die Rückstellung beim späteren Abwickeln. Der Aufbau gibt in Dickenrichtung nach und entspannt bei Abwicklung wieder, wodurch es zum Verzug der Kohlenstofffaserrovings kommt. Eine qualitativ akzeptable Anlagenkonfiguration konnte nicht ermittelt werden. Eine Verarbeitung wäre jedoch bei Austausch der Aufwicklung durch eine lokale Halbzeugentnahme und die Stapelung der Zuschnitte möglich. Hybride Textilien mit Matrixmaterial in Folienform Alternativ kann statt Matrix in Vliesform diese in Folienform bereitgestellt werden. Folie stellt eine im Rahmen der Projekterkenntnisse optimale Lösung für die textile Struk-

Abb. 6.8  Fehlstellen in MAG-K/S-V-Textilien in Kombination mit Vlies

98

D. Nebel

Abb. 6.9  Applikation von Kettfadenversatz auf Folienmaterial und spannungsinduzierter Verzug

Abb. 6.10  Applikation von Kettfadenversatz auf Folienmaterial mit stabilisierenden 90°-Glasfasern

tur dar, da sie Verzug in der Halbzeugebene durch ihre Dimensionsstabilität verhindert und auch in Dickenrichtung beim Auf- und Abwickeln keine maßgebliche Verformung zeigt. Da Folie auch unter höherer Einzugsspannung in die Wirkstelle abgezogen werden kann, ist deren alleinige Nutzung als Grundmaterial möglich (siehe Abb.  6.9). Hierbei kommt es im Zuge der nach der Wirkstelle induzierten Spannung in Schussrichtung jedoch zu Faltenbildung. Abhilfe schaffen in regelmäßigen Abständen eingebrachte Glasfasern zur Stabilisierung, die aufgrund ihrer Feinheit und sporadischen Verteilung minimale Aufdickungen hervorrufen (siehe Abb. 6.10). Relevant wird eine glasfaserfreie Anwendung, wenn die Konstruktion, wie z. B. auch die Bauteilstudie in 6.1, Lastpfadgrammaturen benötigt, welche sich über der maximal imprägnierbaren Grammatur befinden.

6.2.2 Textile Fertigung der belastungsgerechten Durchlade Die Bauteilstudie Durchlade wurde bis zum Bauteil durch die Nutzung des Kettfadenversatzmoduls benutzt und abschließend als Textil aus einer Kombination von Kett- und Schussfadenversatz realisiert. Dies musste aufgrund der zeitlichen Abläufe erfolgen. Zur Umsetzung der Bauteilstudie einer belastungsgerechten Sitzdurchlade müssen die konstruierten Strukturen fertigungsgerecht aufbereitet werden. Dies beinhaltet nicht nur

6  Halbzeug- und Bauteilherstellung

99

die Fertigungsrestriktionen der Textiltechnologie, sondern auch die nachfolgenden Schritte, um eine Imprägnierung der Halbzeuge und weitere Verarbeitung zu gewährleisten. Im ersten Schritt wurde die 3D-Lastpfadgeometrie durch einen Inverse-Drape-­ Algorithmus auf die 2D-Ebene abgewickelt. Das sich ergebende Muster ist in Kombination von Kett- und Schussversatz herstellbar (siehe Abb. 6.11 oben). Aufgrund der alleinigen Nutzung des Kettversatzmoduls muss das Gesamtmuster nochmals aufgeteilt werden. Somit ergibt sich ein Hauptmuster aus sechs 3er-Rovings und ein Kreuzmuster aus zwei 3er-­Rovings (siehe Abb.  6.11 unten). Die im ursprünglichen Gesamtmuster noch vor­ handene Vereinzelung der 3er-Gruppen am Rand in jeweils einen Einzelroving und eine 2er-Gruppe musste aufgrund der festzulegenden Vereinfachungen der Musterprogrammierung entfallen. Die Herstellung erfolgte mit Zoltek-PX35-Kohlenstofffasern und EC14-300-Glasfasern. Als Wirkfaden kam ein gekräuselter PP-Wirkfaden zum Einsatz. Aufgrund einer Lastpfadstärke von 0,8 mm auf 30 mm Pfadbreite sind pro Muster 2 Lagen notwendig. Als Matrixmaterial kommt die im Wachstumskern thermoPre qualifizierte PP-Folie zum Einsatz. PP musste aufgrund thermischer Randbedingungen der eingeplanten Werkzeugtechnik verwendet werden. Die Glasfasern wurden mit einer Legeschiene der Feinheit E9 eingezogen, woraus sich ein ±45°-Glasfasergelege mit einer Gesamtgrammatur von 300 g/m2

Abb. 6.11  Abgewickeltes 3D-Muster und sich ergebende Anlagenmuster durch Separation überlappender Lastpfade

100

D. Nebel

Abb. 6.12  Gelegtes Hauptmuster der belastungsgerechten Sitzdurchlade auf ±45 Glasgelege

ergibt. Exemplarisch ist in Abb. 6.12 die Fertigung des Hauptmusters auf diesem Gelege dargestellt. Die Folie liegt in einer Stärke von 50  μm vor. Es wird ein Faservolumengehalt von 50 % angestrebt. Abhängig von der Endspurbreite im imprägnierten Halbzeug sind drei oder vier Folien je Roving notwendig. So ergeben: • vier Lagen Folie zu je 0,05 mm in Kombination mit • drei Rovings der PX35-Faser auf einer Breite von 30 mm ideal 0,407 mm Laminatdicke. Erhöht man die Spurbreite für die Imprägnierung aus Toleranzgründen auf: • 40 mm und • reduziert den Folienanteil auf drei Lagen, ergeben sich 0,305 mm Laminatdicke. Aufgrund der nötigen Flexibilität für die Folgeprozesse wurden alle Muster analog den Versuchen in Abb. 6.10 auf 2 Lagen Folie und das Glasfasergelege gesondert mit jeweils einer Lage Folie als Ober- und Unterschicht hergestellt. Die Istmuster wurden während der Fertigung optisch unter Zuhilfenahme einer Folienschablone mit dem Sollzustand verglichen (siehe Abb. 6.13). Insbesondere die seitlichen Lastpfade des Hauptmusters konnten, aufgrund von zum Herstellungszeitpunkt bestehenden Steuerungsrestriktionen, nicht ideal appliziert werden. Die Muster wurden abschließend auf eine Rolle aufgewickelt (siehe exemplarisch Abb. 6.14), um einen sicheren Transport zur presstechnischen Weiterverarbeitung zu gewährleisten. Abschließend erfolgt unter Anwendung des Schussfadenversatzmoduls (siehe Abb. 6.15) die exemplarische Realisierung des Gesamtmusters aus einer Kombination von Kett- und

6  Halbzeug- und Bauteilherstellung

101

Abb. 6.13  Visueller Ist-Soll-Abgleich des Hauptmusters (links) und Kreuzmusters (rechts) der belastungsgerechten Sitzdurchlade mit einer vorgefertigen Folienschablone

Abb. 6.14  Aufwicklung des Hauptmusters sowie überschüssiger 2-lagiger Folie

Abb. 6.15 Schussfadenversatzmodul

102

D. Nebel

Schussfadenversatz auf einem Glasgelege mit einer Lage Folie zwischen Kett- und Schussfäden. Für eine zukünftige Weiterverarbeitung unter Anwendung von 50K-­Ro­vings bei bestehender Spurkonfiguration empfiehlt es sich jedoch aufgrund der Imprä­gnierergebnisse auf eine Folienstärke von 0,1 mm bis 0,2 mm zu wechseln, da andernfalls mit 0,05-mm-Folien eine Imprägnierung der Lastpfade nicht gewährleistet werden kann.

6.2.3 T  hermoplastische Imprägnierung von MAG-K/S-V-Textilien in Großserie Neben der Entwicklung einer großserientauglichen Technologie zur Herstellung lastpfadgerechter Hybridtextilien wurde mit bestehenden Technologien die thermoplastische Imprägnierung derartiger Hybridtextilien mit hohem Gradienten der Grammatur erprobt. Grundsätzlich ist eine Imprägnierung, wie Voruntersuchungen zeigten (siehe Abschn. 4.1.3), möglich. Variotherme Prozesse auf einer statischen Presse benötigen j­edoch, in Abhängigkeit der Temperier- und Kühlleistung, vergleichsweise hohe Taktzeiten. Aus diesem Grund haben sich kontinuierliche und semikontinuierliche Pressprozesse zur Herstellung von z. B. Organoblechen durchgesetzt. Mit geraden sowie gekreuzten Kettfadenversatzstrukturen auf einem Glasgelege wurden verschiedene Technologien erprobt. In Tab. 6.7 sind drei dieser Technologien schematisch dargestellt. Die Omegakalander- als auch Doppelbandpressentechnologie wurden hierbei erprobt. Dabei kamen zwölf 24K-Kohlenstofffasern auf einem 600  g/m2-­Glas­ fasergelege zum Einsatz, welche auf einer Ablegebreite von 10 mm je Roving eine textile Verstärkung von 0,089 mm erzeugen. Für rein in Abzugsrichtung orientierte Kohlenstoffasern zeigten beide Technologien gute Imprägnier- und Konsolidierungsergebnisse. Bei 2 Lagen 0°-Kohlenstofffasern mit 24K-Rovings trat bereits infolge des Dickensprungs von Glas- und Kohlenstofffaserbereich zum reinen Glasfaserbereich Fiberwashing auf. Dieser Effekt vergrößert sich bei bei­ spielsweise ±45°-Orientierung, da die Kohlenstofffasern nicht mehr unter Zugspannung in die Anlage eingezogen werden. Das Fiberwashing tritt durch In-Plane-­Strömungsvorgänge der Matrix ein. Die Orientierung einer Strömung wird maßgeblich durch die Orientierung des lokalen Druckgradienten bestimmt, der wiederum abhängig von den Dickensprüngen und den damit verbundenen Druckverlusten ist. Bei Nutzung temperaturstabiler Wirkfäden wie z. B. PET-Wirkfäden für PP-Matrix wird der Verzug gemindert. Die Versuche haben einen zukünftigen Handlungsbedarf aufgezeigt. Abhängig von den anwendungsbezogenen Toleranzen und Grenzwerten (Faserverzug und Faserorientierung), lassen sich variable Verstärkungsstrukturen auch mit PET-Wirkfäden in der presstechnischen Fertigung ab Dickensprüngen von 0,5 mm nicht qualitätsgesichert imprägnieren.

6  Halbzeug- und Bauteilherstellung

103

Tab. 6.7  Schematische Darstellung kontinuierlicher Pressprozesse. (Quelle: Fraunhofer IWU, Volkswagen AG) Omegakalandertechnologie

Doppelbandpresse

Conti-Tape-Anlage

104

D. Nebel

6.2.4 H  erstellung von thermoplastischen Halbzeugen einer belastungsgerechten Durchlade Basierung auf den Erkenntnissen der Imprägnieruntersuchungen wurde die belastungsgerechte Durchlade in einem variothermen und statischen Pressvorgang zu einem Halbzeug verpresst. Eine Imprägnierung im ebenen Plattenwerkzeug ist als nicht zielführend anzusehen. Es wurden daher für beide Mustertypen: • Hauptmuster H und • Kreuzmuster K jeweils 2 Blechschablonen in den Stärken 0,3 mm, 0,35 mm und 0,4 mm gefertigt, welche sowohl oben als auch unten den Lagenaufbau abschließen und die Dickensprünge vorhalten. Basierend auf dem Ist-Soll-Vergleich der textilen Fertigung und den Erfahrungen aus den Imprägnierversuchen wurde die geplante Spurbreite in den Schablonen von 30 mm auf 40 mm erhöht. Bei vollständiger Ausbreitung der Rovings ergibt sich somit eine Laminatschichtdicke von 0,305 mm bei Verwendung von drei Lagen Folie je Verstärkungspfad. Die Lastpfade haben im Idealfall entsprechend eine Stärke von 0,61 mm. Gefertigt wurden sowohl der Laminataufbau der Konstruktion:

[ ±45G / H 2 / F2 / K 2 / F2 / ±45G ]

als auch eine Variante mit außenliegenden Lastpfaden:

[ ±45G / ±45G / H 2 / F2 / K 2 / F2 ]

Die Schablonen sind mit glasfaserverstärktem Teflon vom Laminat getrennt. In der oberen Teflonfolie wurde zusätzlich die Überlappung des Kreuzmusters vorgehalten. Für den Pressprozess kamen die Druck-, Temperatur- und Zeitparameter in Abb. 6.16 zum Einsatz. Die Pressprozessdauer richtete sich z. T. nach dem Lagenaufbau und variierte um ±5 min. Durchschnittlich betrug die Fertigungsdauer 73 min. Der Temperierdruck p↑ wurde mit 5 bar Flächendruck eingestellt. Nach Erreichen der Zieltemperatur ϑH = 230 °C wurde der Druck auf p→ = 10 bar erhöht sowie Druck und Temperatur für die Zeit tH = 5 min gehalten. Abschließend erfolgte die Abkühlung auf Entformungstemperatur ϑE = 100 °C. Für die Imprägnierung wurden mehrere Schablonen vorgehalten. Begonnen wurde mit jeweils einer 0,3-mm- und in einem zweiten Versuch mit jeweils einer 0,35-mm-­Schablone. Dies entspricht dem textilen Volumen. Matrixmaterial wurde vollflächig eingesetzt, was den Faservolumengehalt im reinen Glasfasergelegebereich, aber auch in den nicht ­überlappenden Bereichen der beiden Muster deutlich erhöht. Das Ergebnis dieser Versuche ist in Abb. 6.17 zu sehen. Deutlich sind markante Faserverwaschungen von bis zu 5 cm insbesondere in den Randbereichen zu sehen. Aber auch innerhalb der Lastpfade sind deutliche Ondulationen auszumachen. Eine Reduzierung des Drucks, was zu schlechten Imprä­ gnierungen, aber dafür zu weniger Faserverwaschungen führt, brachte keine Besserung.

6  Halbzeug- und Bauteilherstellung

105

Abb. 6.16  Idealisierte Druck-Temperatur-Zeitparameter des Imprägnierprozesses

Abb. 6.17  Halbzeug mit 0,35 mm Schablonenstärke

Aufbauend auf den ersten Versuchen wurden die Lastpfade von der überschüssigen Folie getrennt, um so theoretisch einen globalen Faservolumengehalt von 50 % bis 55 % einzustellen. Statt jeweils einer 0,3-mm-Schablone wurden nun jeweils zwei 0,3-mm-­ Schablonen verwendet, um die vollständige Laminatdicke der Lastpfade vorzuhalten. Die Lastpfade und zusätzlichen Folienstreifen wurden auf der unteren Glasgelegeschicht vorfixiert (siehe Abb. 6.18). Es erfolgten Versuche analog den ersten Imprägnierversuchen. Ebenfalls trat deutliches, wenn auch nicht so ausgeprägtes Schwimmen der Fasern wie bei den ersten Versuchen ein. In Abb. 6.19 ist das Ergebnis mit minimalem und den Voruntersuchungen nach unzureichendem Pressdruck von 5 bar zu sehen. In Abb. 6.20 ist zum Vergleich ein Laminat zu sehen, bei welchem die zusätzlichen 2 Lagen Folie je Muster entfernt wurden. Die Pressparameter entsprechen den geplanten aus Abb. 6.16. Die Schablonen sind somit 0,1 mm stärker als die theoretische Laminatdicke. Auch hier kommt es zu leichtem Verlaufen der Fasern im Randbereich jedoch einer scheinbar ausreichenden Konturtreue. Die Lastpfade sind jedoch aufgrund des zu hohen Faservolumengehalts und des nicht ausreichenden Konsolidierungsdrucks im Lastpfadbereich

106

Abb. 6.18  Vorfixierte Lastpfadstruktur auf unterer Gelegeschicht

Abb. 6.19  Halbzeug mit 0,6 mm Schablonenstärke und separierten Lastpfaden

Abb. 6.20  Halbzeug mit 0,6 mm Schablonenstärke und reduziertem Matrixanteil

D. Nebel

6  Halbzeug- und Bauteilherstellung

107

nicht imprägniert. Einzelne Kohlenstofffilamente lassen sich in Schnittkanten aus dem Laminat entfernen. Es konnte somit selbst mit Schablonen eine Struktur dieser Art in einer statischen Presse nicht erfolgreich imprägniert und konsolidiert werden. Die Herausforderung besteht im dynamischen Prozess der Imprägnierung. Zwar wird durch den Aufbau der Schablonen die Laminatstärke korrekt vorgehalten, jedoch nicht die Stärke des unimprägnierten Aufbaus. Während dieses dynamischen Prozesses liegt die Schablone vergleichsweise drucklos im Aufbau vor. Bei Temperierung auf 230 °C schmilzt der Thermoplast und fließt in Richtung des Druckgefälles. Fasern werden bei diesem Strömungsvorgang mitgezogen, und es kommt zur Verwaschung. Abschließend wurde ein variothermes, wirkmedienbasiertes Pressverfahren des Fraunhofer IWU eingesetzt, um eine imprägnierte Laminatqualität ohne Verwaschen über die Berandungsgrenzen hinweg zu erzielen. Pressparameter und Lagenaufbauten wurden, wie zu Beginn festgelegt, umgesetzt. Abb. 6.21 und 6.22 zeigen ein hergestelltes Halbzeug im Anschluss des Wasserstrahlbeschnitts. Ondulationen sind hier innerhalb der Schablonenberandung an den Rändern der Lastpfade auszumachen. Dies ist z. T. auf Ausfransungen während der Vorfixierung sowie leichten Versätzen der beiden Lagen beim Filmstacking zurückzuführen (siehe Abb.  6.22 rechts). Die gelegte Lastpfadbreite blieb infolge des hydrostatischen Drucks erhalten. Ondulationen im Vorfeld der Imprägnierung können somit optimalerweise nur nicht verstärkt werden. Es waren keine Delaminationen oder trockene Filamente nach dem Beschnitt erkennbar.

Abb. 6.21  Konsolidierte und imprägnierte Halbzeuge einer belastungsgerechten Durchlade mit innenliegenden Lastpfaden

108

D. Nebel

Abb. 6.22  Konsolidierte und imprägnierte Halbzeuge einer belastungsgerechten Durchlade mit außenliegenden Lastpfaden (links) und Lastpfad mit Randondulation (rechts)

6.2.5 Demonstratorfertigung Die Umsetzung der zuvor hergestellten Halbzeuge fand im MERGE-Technikum des Instituts für Strukturleichtbau und Kunststofftechnik der TU Chemnitz statt. Verwendet wurde das ursprüngliche Spritzgusswerkzeug der Referenzstrukturdurchlade auf einer Engel Insert 1800H/400 mit Zusatzaggregat IU500L. Der Schneckendurchmesser betrug 80 mm. Als Spritzgussmaterial kam Scolefin 52 G 13-0 zum Einsatz. Die für die Fertigung relevanten Parameter sind nachfolgend in Tab. 6.8 aufgeführt. Das gesamte Halbzeug musste in drei Teile separiert werden. Innerhalb des Referenzwerkzeugs verläuft eine Nutkontur zwischen Rand und ursprünglichem Organoblechbereich. Da ein Einsatz des ursprünglichen Greifers nicht möglich ist, wurden die Halbzeuge des Randbereichs in einem Umluftofen bei 170  °C aufgeheizt und anschließend im ­Werkzeug händisch in die seitliche Kontur drapiert. Der Bereich der ursprünglichen Organoblechverstärkung konnte ebenfalls händisch vorgeformt werden (siehe Abb. 6.23). Für die Fertigung des Bauteils ist dies jedoch nicht weiter erfolgt, da der Zuschnitt im ursprünglichen Organoblechbereich eine deutliche Temperierung von 175 °C erforderte. Die Randbereiche wurden mit ausreichend heißer Spritzgussmasse überflutet, um eine Haftung zu erzielen. Die größte Herausforderung stellte das Limit des Spritzvolumens dar. Dies war bereits mit dem ursprünglichen Organoblech erreicht. Durch eine weitere minimale Volumeneinsparung der neuartigen Halbzeuge, selbst mit Randbereich, stellte dies einen kritischen Punkt bei der Fertigung dar. Bei 2 mm Spalt konnte keine ausreichende Formfüllung und kein Nachdruck erzeugt werden. Eine große Anzahl an Lufteinschlüssen war die Folge. Es erfolgte eine minimale Senkung der Schließhöhe, um das Spritzvolumen zu senken (siehe Parameter in Tab. 6.8). Dies wiederrum resultierte jedoch in einer deutlichen Überpressung der Lastpfadbereiche, welche anders als dickwandige, glasfaserbasierte Organo-

6  Halbzeug- und Bauteilherstellung

109

Tab. 6.8  Abschließende Prozessparameter nach Spaltanpassung  – Spritzguss der belastungsgerechten Durchlade Plastifizieren Geschwindigkeit Staudruck Volumen Einspritzen Geschwindigkeit Druckbegrenzung Umschaltpunkt Restmassepolster Nachdruck Zeit Druck Temperaturen in °C Zylinder Einzug Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4 Zone 5 Düse Ofentemperatur Zeiten Zykluszeit Nachdruckzeit Restkühlzeit Zyklusdrücke Druckbegrenzung Umschaltdruck

Stufe m/s bar cm3 Stufe cm3/s bar cm3 cm3 Stufe s bar

50 200 210 220 230 240 240 175

1 0,5 80 1200 1 125 1250 1345

2 0,3 80 1250 2 175

3 0,3 10 1340 3 175

1250

1250

1 0 750

2 18 750

3 19 150

100 50 4 20 150

Heißkanal Zone 1-7 Zone 8 Zone 9 Zone 10 Zone 11

230 240 240 240 240

Werkzeug Oberform Unterform

70 70

s s s

185 20 120

bar bar

1250 70

4 100

bleche durch ihre höhere Wärmeleitung im geschlossenen Werkzeug schneller abkühlten, bevor der Spritzgussprozess eingeleitet werden konnte. Die minimale Schwimmhaut in diesem Bereich reichte nicht aus, um eine vollflächige Grenzflächenhaftung zu ermöglichen. Der Glasfaserbereich ist mit seiner minimalen Wandstärke ebenfalls frühzeitig erstarrt. Zu bedenken ist, dass aufgrund der Anlagenbeschaffenheit mit Wendeplatte und der Werkzeugkonstruktion mit Anguss in der Oberform, welche erst schließen muss, bevor das Spritzgussaggregat andocken kann, eine erhebliche Verweilzeit im Werkzeug stattfin­det. Der Temperaturverlust im Organoblech konnte nicht ausgeglichen werden. Dennoch konnte aufgrund des nun wirkenden Nachdrucks und vollständiger Formfüllung eine verbesserte Haftung erzielt werden (Abb. 6.24). Insgesamt konnten zehn Bauteile ohne leere Kavitätsbereiche hergestellt werden. Abb. 6.25 zeigt hierbei eine Durchlade mit außenliegenden Lastpfaden. Infolge des Um-

110

D. Nebel

Abb. 6.23  Vorgeformte Halbzeuge für belastungsgerechte Durchlade

Abb. 6.24  Spritzgusstechnisch hergestellte belastungsgerechte Durchlade

formens kam es zur keinem negativen Verzug der Kohlenstofffasern. Die Kreuzungsbe­ reiche beider Musterteile wurden aufgrund der Spaltmindungen der Kavität übermässig gepresst. In Abb. 6.26 sind mehrere Bauteile der Fertigung sowie nochmals ein Durchlade mit außenliegenden Lastpfaden dargestellt. Abschließend lässt sich festhalten, dass lastpfadgerechte Organobleche zur Verarbeitung im Spritzguss geeignet sind. Das Umformen der Lastpfadstruktur war aufgrund der freien Struktur ohne Wirkfäden sehr gut umsetzbar. Da unidirektionale Fasern primär gebogen werden, ist die Weiterverarbeitung präzise möglich. Es müssen jedoch im Prozess

6  Halbzeug- und Bauteilherstellung

111

Abb. 6.25  Belastungsgerechte Durchlade mit außenliegenden Lastpfaden

Abb. 6.26  Herstellungsserie mit innen und außen liegenden Lastpfaden (Links) und Durchlade mit außenliegenden Lastpfaden (Rechts)

und Werkzeug die materialspezifischen Voraussetzungen für eine erfolgreiche Integration ermöglicht werden, welche sind: • • • • • • • • •

Matrixreiche Außenschicht der belastungsgerechten Halbzeuge oder Haftvermittlungsschicht, angepasste Greifertechnik für unterschiedliche Materialstärken und Beschaffenheiten, Vorhalten der Lastpfadstruktur im Werkzeug, minimale Verweilzeit oder variotherme Werkzeugführung, schnelle Formfüllung für höhere Scherraten an der Grenzfläche, ausreichendes Restmassepolster zur gesicherten Nachdruckphase und Berücksichtigung des komplexen Verzugverhaltens.

7

Zusammenfassung/Ausblick Markus Mannig

Zusammenfassung

Innerhalb des Verbundprojektes KonText wurde im Rahmen der fünfjährigen Projektlaufzeit die Technologie zum großserientauglichen Einsatz eines Kett- und Schussfadenversatzes für die lastpfadgerechte Verstärkung im Multiaxialgelege entwickelt, aufgebaut und erprobt. Innerhalb des Verbundprojektes KonText wurde im Rahmen der fünfjährigen Projektlaufzeit die Technologie zum großserientauglichen Einsatz eines Kett- und Schussfadenversatzes für die lastpfadgerechte Verstärkung im Multiaxialgelege entwickelt, aufgebaut und erprobt. Zu Beginn des Projektes wurden hierzu mögliche Demonstratorbauteile und dadurch begründet notwendige Prozesseigenschaften und Leistungsdaten definiert. Darauf aufbauend erfolgte die Konstruktion und Anlagenentwicklung zur Realisierung von lastpfadgerechten Textilien mittels Kett- und Schussfadenversatztechnologie. Neben grundlegenden Fragestellungen, die sich aus der Nutzung thermoplastischer Matrices ergeben, wie der Materialauswahl und Charakterisierung sowie Absicherung der Verbundfestigkeit, beispielsweise mittels der Faser-Matrix-Haftung oder der interlaminaren Festigkeit, wurde im weiteren Projektverlauf ein wesentliches Augenmerk auf das Umformverhalten der Textilien, deren thermoplastische Imprägnierung sowie deren Endkonsolidierung gelegt.

M. Mannig (*) Technische Universität Braunschweig, Institut für Füge- und Schweißtechnik, Braunschweig, Deutschland E-Mail: [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 K. Dilger (Hrsg.), Kontinuierliche kraftflussgerechte Textiltechnologien für Leichtbaustrukturen in Großserie, Zukunftstechnologien für den multifunktionalen Leichtbau, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61003-9_7

113

114

M. Mannig

Diese Thematiken sowie der gesamte Prozess wurden auch unter dem Gesichtspunkt der numerischen Simulation untersucht und bestehende FE-Werkzeuge hinsichtlich der neuen Technologie angepasst bzw. angewendet. Auf der im Projekt entwickelten und am Standort der Open Hybrid LabFactory in Wolfsburg installierten Anlagentechnik wurde für eine technologische und wirtschaftliche Bewertung mittels parallel hergestellter Demonstratortextilien, die dann in weiteren Prozessen begleitend imprägniert und zum funktionsfähigen Bauteil verarbeitet wurden, ein Technologieträger gefertigt und geprüft. Damit wurde nachgewiesen, dass die entwickelten und aufgebauten Technologien als Grundlage für die effiziente Halbzeugherstellung von lastpfadgerecht ausgelegten Strukturen dienen können. Um eine erfolgreiche Projektbearbeitung zu gewährleisten, waren im Projektkonsortium kompetente Partner der gesamten Prozesskette, ausgehend von der Faserherstellung über die Anlagentechnik, die Weiterverarbeitung zum Bauteil bis zum Endanwender vertreten. Passend zur gesamtstrategischen Aufstellung der Open Hybrid LabFactory (u. a. „Das richtige Material an der richtigen Stelle“) können zukünftig maßgeschneiderte textile Halbzeuge und Verstärkungsstrukturen für weitere materialhybride Anwendungsbauteile direkt vor Ort umgesetzt werden. Die Nutzung dieser Technologie für zukünftige Projekte ist bereits geplant. Weiterhin bieten sich über die Projektlaufzeit hinaus noch Anknüpfungspunkte für die Weiterentwicklung der aufgebauten textilen Technologien. Die Steigerung von Prozesssicherheit, Geschwindigkeit und Flexibilität wäre durch weiterführende Arbeiten über das Verbundprojekt KonText hinaus, beispielsweise durch die Umsetzung alternativer Möglichkeiten zur Schussfadenfixierung, entsprechend attraktiv.

Veröffentlichungen

Art des Auftritts/der Veröffentlichung Teilnahme Veranstaltung OHLF Arbeitskreissitzung OHLF Arbeitskreissitzung OHLF Arbeitskreissitzung OHLF Mitgliederversammlung OHLF Arbeitskreissitzung OHLF Arbeitskreissitzung OHLF Arbeitskreissitzung OHLF Arbeitskreissitzung OHLF Mitgliederversammlung OHLF Arbeitskreissitzung OHLF Arbeitskreissitzung OHLF Arbeitskreissitzung Veröffentlichung Paper

Titel

Beteiligte Partner

Zeitpunkt

Projektstatus

OHLF e.V

07.07.2014

Projektstatus

OHLF e.V

27.01.2015

Projektstatus

OHLF e.V

14.07.2015

Kurzinfo

OHLF e.V

20.11.2015

Projektstatus

OHLF e.V

25.01.2016

Projektstatus

OHLF e.V

13.09.2016

Projektstatus

OHLF e.V

02.03.2017

Projektstatus

OHLF e.V

13.09.2017

Kurzinfo

OHLF e.V

03.12.2017

Projektstatus

OHLF e.V

05.04.2018

Projektstatus

OHLF e.V

05.09.2018

Abschlusspräsentation

OHLF e.V

07.03.2019

Imprägnierstrategie für kraftflussgerecht gestaltete endlosfaserverstärkte Thermoplaste

Fh-IWU, VW, Cetex

12/2016

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 K. Dilger (Hrsg.), Kontinuierliche kraftflussgerechte Textiltechnologien für Leichtbaustrukturen in Großserie, Zukunftstechnologien für den multifunktionalen Leichtbau, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61003-9

115

116 Art des Auftritts/der Veröffentlichung Paper/Konferenz

Paper Vortrag

Konferenz/Vortrag

Veröffentlichungen

Titel Neuartige Imprägniertechnologien zur Herstellung kraftflussgerechter endlosfaserverstärkter Thermoplaste Kraftflussgerechte Faserverbunde mit Thermoplastmatrix Multiaxialgelege mit Kett- und Schussfadenversatz, 16. Chemnitzer Textiltechniktagung intec 2019 in Leipzig Vortrag „Funktionalisierte Textilhalbzeuge für materialkompatible Integration in Hochleistungsverbundstrukturen“

Beteiligte Partner Fh-IWU, TU Chemnitz Fh-IWU, VW, Cetex Thomas Heinecke, KMTT Holg Elsner, LSE-GmbH

Zeitpunkt 06/2016

9/2018 05/2018

02/2019

Literatur

1. Flemming, M.; Ziegmann, G.; Roth, S.: Faserverbundbauweisen – Fertigungsverfahren mit duroplastischer Matrix, Springer, 1999. 2. Offermann, P.; Cebula, H.; Diestel, O.: Structure-property relations of biaxial reinforced multilayer weft knitted structures for reinforced plastic. 6. Tec Comp Conference, Philadelphia, USA, 2002. 3. Kroll, L.: Textilverstärkte Kunststoffbauteile in funktionsintegrierender Leichtbauweise. In: Wintermantel, E. (Hrsg.): Medizintechnik Life Science Engineering. Berlin, Heidelberg: Springer Verlag, 2009, S. 343–356. 4. Neitzel, M.; Mitschang, P.: Handbuch Verbundwerkstoffe Carl Hanser Verlag, München 2004. 5. Schulz, J.; et al.: Einsatz der Preformtechniken zur Produktivitätssteigerung bei der Verarbeitung von Faserverbundkunststoffen DGM Tagung, Bayreuth (2009). 6. Mattheij, P.; Gliesche, K.; Feltin, D.: 3D reinforced stitched carbon/epoxy laminates made by tailored fibre placement Comp Part A (2000), 31: S. 571–581. 7. Meyer, O.: Kurzfaser-Preform-Technologie zur kraftflussgerechten Herstellung von Faserverbundbauteilen Dissertation, Stuttgart (2008). 8. Mouritz A. P.; et al. Review of applications for advanced threedimensional fibre textile composites Comp Part A (1999), 30: S. 1445–1461. 9. Rudov-Clark, S.; et al.: Fibre damage in manufacture of advanced threedimensional woven composites Comp Part A (2003), 34: S. 963–970. 10. Drechsler K.: Process and simulation chains for advanced textile structural composites SAMPE Conference Proceedings (2008), 53 S. 366/1–366/14. 11. DE 19628388 A1 12. WO 8400351 A1 13. DD 256882 A1 14. DD 256883 A1 15. DD 256884 A1 16. DE 3800244 A1 17. DE 3800320 A1 18. DD 256884 A1 19. DE 10 2012 020 624 A1 20. EP 1977882 A1 21. Heinecke, T.; Multiaxialgelege mit Kett- und Schussfadenversatz, 16. Chemnitzer Textiltechniktagung, 28./29.05.2018

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 K. Dilger (Hrsg.), Kontinuierliche kraftflussgerechte Textiltechnologien für Leichtbaustrukturen in Großserie, Zukunftstechnologien für den multifunktionalen Leichtbau, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61003-9

117

118

Literatur

22. M. Bauer, R. Wallasch, R. Tirschmann, M. Spieler, W. Nendel and L. Kroll, „Automatisiertes Herstellungsverfahren für gewichtsreduzierte und belastungsoptimierte Hybridstrukturen, hergestellt im großserientauglichen Spritzgiesprozess (HySpri),“ in Poster zum PaFa Therm II – Mehrkomponenten-Spritzgußprozesse für strukturvariable textilverstärkte, Chemnitz, 2014. 23. Täger, O., Häusler, F., Lohmann, J., Modler, N., Weber, T.; Neue Fertigungstechnologie für Werkstoff-Hybrid-Leichtbau-Lösungen am Beispiel einer FVK-Metall-Hybridbodenstruktur, Internationaler Kongress Kunststoffe im Automobilbau (VDI) (2016), 4342,4343, S. 251–261.