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Flechttechnologie

Verfahren für die Fertigung komplexer Faserverbund-Hohlstrukturen Hohlstrukturen aus Faserverbundwerkstoffen sind aus dem Fahrzeug- und Anlagenbau, dem allgemeinen Maschinenbau sowie dem Sportgerätebau nicht mehr wegzudenken. Das Flechten derartiger Hohlstrukturen ist eine noch junge Technologie mit großem Potenzial, das noch nicht voll ausgeschöpft ist. Das Dresdner Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) hat es sich gemeinsam mit der Leichtbau-Zentrum Sachsen (LZS) GmbH zur Aufgabe gemacht, die Anwendbarkeit der Flechttechnologie in der Industrie weiter zu verbessern. In diesem Beitrag werden die aktuellen Entwicklungsergebnisse auf diesem Gebiet vorgestellt.

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as Leichtbaupotenzial faserverstärkter Kunststoffe ist längst kein Geheimnis mehr. In der Luftfahrt hat der junge Werkstoff den Durchbruch bereits geschafft. In anderen, kostensensitiveren Branchen wird fieberhaft am großflächigen Einsatz von Faserverbundwerkstoffen gearbeitet. Der Schlüs-

sel zum Erfolg führt über intelligente Fertigungsverfahren, die es erlauben, Leichtbaustrukturen schnell und reproduzierbar herzustellen. Konventionelle Verfahren, bei denen etwa Prepreg-Laminate in Handarbeit gelegt werden, kommen überwiegend in Kleinstserien oder für Showteile zum Einsatz.

»Bei der Herstellung von komplexen Hohlkörpern wie Antriebswellen und Profilstrukturen scheitern in der Regel konventionelle Preform- und Pressverfahren oder führen zu hohen Kosten.« Prof. Dr.-Ing. habil Prof. E.h. Dr. h.c. Werner Hufenbach ist Leiter des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) an der TU Dresden.

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Eine besondere Herausforderung stellt die Herstellung von komplexen Hohlkörpern wie Antriebswellen und Profilstrukturen dar, da hier konventionelle Preform- und Pressverfahren in der Regel scheitern oder zu hohen Kosten führen. Produktive Verfahren zur Ablage der Verstärkungsfasern mit möglichst wenig Verschnitt sind hier gefragt. Das Flechten hat sich in den letzten Jahren als eines der effizientesten Preformverfahren für Hohlstrukturen aus Faserverbundwerkstoff etabliert. Wo bis vor Kurzem noch vorgeflochtene Schläuche mühevoll und per Hand auf formgebende Kerne gezogen wurden, wird heute zunehmend direkt auf die Kerne geflochten, das sogenannte Direktflechtverfahren. Die so entstehenden Preformen können anschließend in einer geschlossenen Form mit Harz zum Beispiel im RTM-Verfahren infiltriert werden. Das Geflecht wird dabei zwischen Kern und Außenform verpresst, wobei eines der Formelemente oftmals auch beweglich ist und somit die Verpressung gesteuert werden kann. Vor allem Automobilhersteller setzen auf diese Technik. Beim Flechtverfahren entsteht kaum Verschnittabfall, wodurch nahezu jede der teuren Fasern im Bauteil landet. Weitere Vorteile sind die kurzen Zykluszeiten, der geringe Nachbearbeitungsaufwand, die gezielte Einstellbarkeit der Faserorientierung und das große Potenzial zur Prozessautomatisierung. Auch die guten Oberflächenqualitäten werden gerade von der Automobilindustrie sehr geschätzt. Um den Flechtprozess weiter an die industriellen Bedürfnisse anzupassen, wird am Leichtbaustandort Dresden an verschiedenen Entwicklungsschwerpunkten gearbeitet.

BILD 1

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Variables Flechtauge zur Herstellung von Bauteilen mit großen Durch-

messersprüngen (Fotos 1 bis 6: ILK)

Dabei kommt das Flechtauge mit einem einzigen Antrieb aus. Dessen Drehbewegung wird über einen raffinierten Koppelmechanismus in die kontrahierende Bewegung der Iriselemente übertragen, die das Geflecht an den Kern anlegen. Das variable Flechtauge ist zum Patent angemeldet und wird bereits vom LZS für neue Bauteilentwicklungen genutzt. Die geometrische Vielfalt flechtbarer Strukturen hat sich durch die Entwicklung des variablen Flechtauges stark erhöht, so dass aufwendige Bauteile, die bisher nur in manuellen Verfahren gefertigt werden konnten, zukünftig automatisiert hergestellt werden können.

R E ALISIERUNG VAR IABLER QUER SCHNI T T E Gemeinsam mit den Forschern des ILK haben Experten der LZS HERSTELLUNG VERZWEIGTER STRUK TUREN GmbH ein variables Flechtauge entwickelt, Bild 1. Damit sind AnDurch den Einsatz des variablen Flechtauges gelingt es, auch stark triebswellen und Profile aus Faserverbundwerkstoffen mit variablen verzweigte Hohlstrukturen mit definiertem Faserwinkel herzustelQuerschnitten wirtschaftlich realisierbar. Besonders faserverstärklen. Die verschiedenen Arme der Verzweigung werden dazu durch te Profilbauteile mit komplexen Geometrien und stark variierenden das Flechtauge geführt und die Fasern um diese herum abgelegt. Querschnitten können dadurch effizient hergestellt werden. Beim konventionellen Flechtprozess mit starrem Flechtauge besteht Das variable Flechtauge zieht die Fasern selbst in Bereichen grodas Problem darin, dass durch den großen Abstand des faserführenßer Durchmessersprünge gleichmäßig an den Flechtkern herden Auges zum Flechtkern die Fasern an den Armen hängen bleiben, an. So ist es möglich, die Verstärkungsfasern auch in komplexen Bild 2. Die Wahl eines kleineren Flechtauges ist nicht möglich, da die Strukturbereichen genau mit der richtigen Faserorientierung abSeitenarme ebenfalls dort durchgeführt werden müssen. zulegen. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für die spätere Das variable Flechtauge ermöglicht es, die Fasern auch bei verzweigBelastbarkeit der Bauteile, da eine genaue Einstellung der Faserten Profilen eng am Flechtkern zu führen und bis kurz vor die Verrichtung Grundlage einer effizienten Faserausnutzung ist. Am ILK wurden mit der automatisierbaren Einbindung des variablen Flechtauges in die Steuerung eines Flechtrades Teststrukturen und Prototypen unter seriennahen Bedingungen geflochten und die Veränderungen der Bauteileigenschaften untersucht. Es zeigte sich, dass das neue Flechtauge durch die besser steuerbare Geflechtablage eine erhebliche Massereduktion möglich macht. BILD 2 Verzweigung mit normalem Flechtauge -> Fasern hängen am Arm 2/2013 lightweightdesign

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BILD 5

Flechtstrukturen mit unterschiedlichem On-

dulationsgrad

BILD 3

Geflochtenes Profil mit Mehrfachverzweigung

BILD 4

Faserverlauf im Kaktus „Corryocactus

brachypetalus“

zweigung beliebig flache Winkel abzulegen, wie sie bei Zug-/Druckals auch bei Biegebelastungen notwendig sind. Die Öffnung des Flechtauges wird im Prozess im Bereich der Verzweigungsarme gezielt gesteuert und variiert. Nach der Verzweigung wird das Flechtauge wieder geschlossen und die Verzweigung ist ohne wesentliche Störung des Faserverlaufes mit eingeflochten, Bild 3. Am ILK konnten im Rahmen des Schwerpunktprogrammes SPP1420 (siehe Kasten) Mehrfachverzweigungen bereits erfolgreich geflochten werden. Als Vorbild für die Gestaltung an einer Verzweigung dient dabei die optimierte Faserausrichtung aus der Natur am Beispiel Kaktus, Bild 4. Die Fasern werden im Kaktus so vom Hauptast in die Verzweigung geführt, dass diese bei hoher Festigkeit einen geringen Bauraum benötigt. Damit steht dem Kaktus möglichst viel Volumen zur Speicherung von Wasser zur Verfügung. Die Tragstruktur besteht ähnlich wie bei Geflechten aus faserverstärktem Material, das an gewissen Kontaktpunkten miteinander verknüpft ist und damit eine hohe Stabilität und Bruchdehnung - ähnlich den Geflechten mit den typischen Kreuzungspunkten - erhält. Die Verbesserung von geflochtenen Verzweigungen aus faserverstärkten Kunststoffen in Anlehnung an natürliche Vorbilder wird

auch in den kommenden Jahren ein wichtiger Punkt in der Entwicklung von Faserverbundbauteilen sein. Dabei können besonders komplexe Rahmenstrukturen belastungsgerecht gestaltet und wirtschaftlich gefertigt werden. HERSTELLUNG HOCHFESTER S T R U K T U R E N D U R C H A N PA S S U N G D E S O N D U L AT I O N S G R A D E S Geflochtene Bauteile haben bis heute den Ruf, vergleichsweise schlechte mechanische Eigenschaften zu besitzen. Durch die gewebeartige Struktur liegen die Fasern „gewellt“ im Laminat vor und nicht gestreckt, wie es für optimale Festigkeit und Steifigkeit ideal wäre. Diese Wellen im Faserverlauf werden als Ondulation bezeichnet. Die Wissenschaftler von ILK und LZS fanden nun heraus, dass sich der Ondulationsgrad durch spezielle Anpassungen des Flechtprozesses nahezu beliebig reduzieren lässt. Dadurch gelingt die Herstellung extrem steifer und fester Bauteile, Bild 5. Im Umkehrschluss führt die Erhöhung des Ondulationsgrades zu einer Erhöhung des Energieabsorbtionsvermögens, was für Crash-beanspruchte Strukturen von Vorteil sein kann. Besonders stark wirkt sich der Einfluss der Ondulation bei torsionsbeanspruchten Hohlstrukturen aus, wohingegen er bei Druckbehältern

»Das Flechten hat sich in den letzten Jahren als eines der effizientesten Preformverfahren für Hohlstrukturen aus Faserverbundwerkstoff etabliert.« Dipl .-Ing . Andreas Gruhl ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) an der TU Dresden mit dem Schwerpunkt „Flechtverfahren“.

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nur von geringer Bedeutung ist. Die Erklärung hierfür ist in der Mikrostruktur des Faserverbundes zu finden: Bei torsionsbeanspruchten Bauteilen gibt es gleichermaßen Fasern, die auf Zug und Fasern, die auf Druck beansprucht werden. „Druckfasern“ neigen im Bereich der Ondulierung zum Ausknicken, wodurch die Bauteilfestigkeit stark beeinträchtigt werden kann. Bei Druckbehältern hingegen werden alle Fasern in Zugrichtung beansprucht. Der Einfluss von Störstellen ist hier deutlich geringer, weshalb auch stark „verflochtene“ Bauteile hohe Festigkeiten erreichen. Die genaue Untersuchung dieser Problematik erfolgt in Dresden inzwischen meist virtuell. Mit Hilfe von Einheitszellen, in denen die Modellierung jeder einzelnen Verstärkungsfaser möglich ist, können verschiedene Flechtmuster realitätsnah simuliert und so das mechanische Verhalten präzise vorhergesagt werden. Bild 6 zeigt eine solche Einheitszelle, mit einem Druckversagen an den Kreuzungspunkten der Verstärkungsfäden, wie es für torsionsbeanspruchte Wellen typisch ist. Im Hintergrund ist eine Computertomografie- (CT-) Aufnahme einer Antriebswelle dargestellt, die zuvor mit dem simulierten Lastfall getestet wurde. Das in der Simulation vorhergesagte Druckversagen ist dabei auch im Realversuch eingetreten. Mit der entwickelten Simulationstechnik gelingt es den Dresdnern, die komplexen Zusammenhänge zwischen textiler Architektur und Bauteileigenschaften mit einem Minimum an meist aufwändigen und teuren Realversuchen zu erforschen. HERS TELLUNG DICK WANDIGER BAUTEILE Im Gegensatz zum Nasswickeln ist es beim Flechten nicht sinnvoll, die Fasern „nass“ zu verarbeiten. Auf dem Markt sind zwar flechtbare Prepregs erhältlich, jedoch sind diese sehr teuer und nur für wenige Anwendungen geeignet. Die Faserablage erfolgt somit meist trocken. Das Matrixharz muss in einem weiteren Verarbeitungsschritt injiziert werden. Mit Hilfe moderner Infusionstechnik können heute auch sehr dickwandige Strukturen zügig infiltriert werden. Als besonders geeignete Technologien sind hier das Hochdruck-RTM-Verfahren (HD-RTM) sowie als Alternative mit deutlich geringeren Werkzeugkosten das VAP-Verfahren zu

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DAS SCHWERPUNK TPROGRAMM SPP1420 Das von der Deutschen Forschungsgemeinschaf t (DFG) geförderte SPP1420 „Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials“ hat zum Ziel, durch die Kombination der natürlichen Vielfalt hierarchischer Strukturierungen mit der Gestaltungsvielfalt von Ingenieurwerkstof fen, Werkstof f klassen mit neuar tigen Eigenschaf ten und Funk tionen zu ent wickeln. Das ILK konnte hier gemeinsam mit dem Institut für Botanik der TU Dresden, dem Botanischen Gar ten der Universität Freiburg und dem Institut für Textil- und Ver fahrenstechnik, Denkendor f, unter Einsatz der Computer tomographie Leichtbauprinzipien der Natur prinzipiell auf neuar tige Leichtbaustruk turen über tragen und am Beispiel erster verzweigter Stabtragwerkselemente in Faser verbundbauweise technologisch umsetzen.

nennen. Das VAPVer fahren kommt zunehmend bei der Herstellung für Rotorb lät ter von Windkraf tanlagen zum Einsatz, da hier die geringe Zykluszeit sowie die geringen Porenanteile im Laminat besonders geschätzt werden. BILD 6 Druckversagen an den KreuzungspunkAm ILK durchgeten bei einer torsionsbeanspruchten Struktur (Vorderführte Permeationsgrund: Einheitszelle, Hintergrund: CT-Aufnahme nach untersuchungen beTorsionstest) stätigen, dass sich die Viskosität der verwendeten Harze überproportional auf die Infusionszeit auswirkt. Mit Harzen ab einer Viskosität von <100 mPas können auch dickwandige Faserpreforms zügig durchtränkt werden. Die mit Hilfe von Computertomographien am ILK ermittelten Porengehalte weisen dabei

»Die geometrische Vielfalt flechtbarer Strukturen hat sich durch die Entwicklung des variablen Flechtauges stark erhöht, so dass aufwendige Bauteile, für die bisher nur manuelle Verfahren zur Verfügung standen, zukünftig automatisiert hergestellt werden können.« Dr. Martin Lepper ist Geschäftsführer der Leichtbau-Zentrum Sachsen GmbH in Dresden.

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BILD 7

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Das Direktflechtverfahren ermöglicht es, durch die gezielte Einstellung der Faserondulation hochfeste und hochsteife Strukturen herzustellen. Eine weitere Leistugssteigerung des Flechtprozesses wird durch automatisierte Sensorintegration erreicht. Mit dem Flechtverfahren können zukünftig echte High-Tech-Bauteile im industrialisierten Massenprozess hergestellt werden. Die großflächige Verbreitung der Technologie in der Automobilindustrie hängt nun von der Preisentwicklung der Verstärkungsfasern und der zukünftigen Akzeptanz von Faserverbundstrukturen im automobilen Massenmarkt ab. ●

Geflochtene Struktur mit 25

mm Wandstärke vor der Infiltration (Fo-

BILD 8

tos 7 und 8: LZS)

harz

Struktur nach der Infiltration mit Epoxid-

erstaunlich geringe Werte auf, die mit alternativen Herstellungsverfahren nur schwer zu erreichen sind. Bild 7 und Bild 8 zeigen eine Antriebswelle mit 25 mm Wandstärke vor und nach der Infiltration mit einem niedrigviskosen Epoxidharz. Die Infiltration verlief zügig und mit sehr guter Qualität. ZUSA M M EN FA SSU N G Das direkte Flechten von Bauteilen ist eine junge Technologie mit großem Potenzial, die Herstellungskosten der bislang recht teuren Hohl- und Profilstrukturen zu senken. Dadurch wird das Flechten zunehmend auch für die Automobilindustrie interessant, in der bislang eher schalenförmige Bauteile zum Einsatz kommen. Durch die intensiven Entwicklungsbemühungen am Dresdner Leichtbaucampus konnten in den letzten Jahren große Fortschritte auf dem Weg zur Industrialisierung des Direktflechtverfahrens gemacht werden: Die geometrische Vielfalt flechtbarer Strukturen hat sich durch die Entwicklung des variablen Flechtauges stark erhöht, so dass aufwendige Bauteile, für die bisher nur manuelle Verfahren zur Verfügung standen, zukünftig automatisiert hergestellt werden können. Dieses Flechtauge hilft auch bei der Herstellung verzweigter Strukturen, die in Anlehnung an erfolgreiche Konzepte aus der Natur ebenfalls in Dresden realisierbar sind.

Die Autoren: PROF. DR.ING. HABIL PROF. E.H. DR. H.C. WERNER HUFEN BACH ist Leiter des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) an der TU Dresden. DIPL.ING. ANDREAS GRUHL ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Leichtbau und Kunststoff technik (ILK) an der TU Dresden mit dem Schwerpunkt „Flechtverfahren.“ DR. MARTIN LEPPER ist Geschäftsführer der Leichtbauzentrum Sachsen GmbH in Dresden. DIPL.ING. OLE RENNER ist Projektgruppenleiter an der Leichtbau-Zentrum Sachsen GmbH in Dresden.

»Weitere Vorteile des Flechtens sind die kurzen Zykluszeiten, der geringe Nachbearbeitungsaufwand, die gezielte Einstellbarkeit der Faserorientierung und das große Potenzial zur Prozessautomatisierung.« Dipl.-Ing. Ole Renner ist Projektgruppenleiter an der Leichtbau-Zentrum Sachsen GmbH in Dresden.

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