Projekte

Reproduzierbare Preformfertigung für textilverstärkte Kunststoffe

Simulation zur Festlegung der Fixierungslinien
© Fraunhofer IWS Dresden
Simulation zur Festlegung der Fixierungslinien

Aufgabenstellung

Für die Ausweitung des Anwendungsfeldes der faserverstärkten Kunststoffe (FVK) im Automobilbereich sind neue Technologien, kostengünstige Fertigungsprozesse und Designkonzepte erforderlich, die sich derzeit für komplexe, gekrümmte Bauteile auf die Trockentechnologie der Preformherstellung fokussieren. Besonders komplizierte Bauteilgeometrien erfordern eine deutlich verbesserte Fertigungsgenauigkeit und die Reproduzierbarkeit bei Zuschnitt-, Handlings-, Stapel- und Verbindungsprozessen. Die Kombination unterschiedlicher Flächenbildungstechniken und Faserverstärkungsrichtungen im Preformdesign führt nur dann zum erwarteten Ergebnis, wenn Dimensionierungen durch genaue Kenntnis des Materialverhaltens bei Zuschnitt, Formgebung und Fertigung unterstützt und durch qualitätssichernde Maßnahmen tangiert werden.

Der gegenwärtige Fertigungsablauf erfüllt die in Hochtechnologiebereichen gestellten Qualitätsanforderungen nur teilweise. Fäden und insbesondere Randfäden werden verschoben oder fallen aus dem Flächenverbund heraus. Beim Einlegen der Zuschnitte in räumlich geformte Fixiervorrichtungen oder Formwerkzeuge ist eine Formgebung der Fläche durch Scherung erforderlich. Schlecht quantifizierbare Beanspruchungen führen dabei zu teilweise erheblichen, nicht gewünschten Geometrieabweichungen.

Lösung

Referenzgeometrie
© Fraunhofer IWS Dresden
Referenzgeometrie

Das Hauptanliegen des Projektes bestand im grundlegenden Nachweis, dass komplexe textile Preforms mit und ohne thermoplastischer Komponente für unterschiedliche Anforderungen in guter, reproduzierbarer Qualität herstellbar sind. Eine signifikante Einschränkung der Formgebung durch strukturfixierende Maßnahmen sollte dabei vermieden werden.

Durch lokale Fixierungen wurde deshalb eine Verfestigung angestrebt, die ein Aus­einanderfallen der textilen Halbzeuge beim Zuschnitt und den anschließenden Stapel- und Formgebungsvorgängen verhindert. Eine Einschränkung des Scherverhaltens war dabei zu vermeiden.

Um dies zu erreichen, wurden mechanische und thermische Möglichkeiten, die auf dem Einsatz modifizierbarer, oberflächenstrukturierter, thermoplastischer und/oder klebfähiger Fäden oder Überzüge beruhen, sowie der Einsatz von Klebstoffen und Klebevliesstoffen bzw. -bändern untersucht. Die Wirkung konnte hierbei durch den Zuschnitt oder das Handling unterstützende Maßnahmen ausgelöst werden.

Ergebnisse

Fertiggestellte Preform auf dem Formwerkzeug
© Fraunhofer IWS Dresden
Fertiggestellte Preform auf dem Formwerkzeug

Um Verstärkungsstrukturen belastungsgerecht und ohne Nacharbeit in eine gewünschte 3D-Bauteilform zu bringen, wird die Zuschnittentwicklung direkt auf der Modellgeometrie realisiert. Hierzu werden mittels inverser Berechnungsverfahren die Zuschnitte aus der 3D-Geometrie generiert. Für die Erprobung des Fixierens mit Klebstoffen wurden als Referenzmaterialien GF-Gewebe und die Matrixwerkstoffe PET und PP ausgewählt. Neben manuellen Auftragsvarianten mit variierenden Auftragsdüsen wurden die Klebstoffe mittels Roboterführung appliziert.

Die Untersuchungen zeigten, dass bei der lokalen Fixierung der Referenzmaterialien mit den abschließend ausgewählten Klebstoffen Haftungsprobleme vermieden wurden. Außerdem konnte mittels Prüfung des Scherverhaltens nachgewiesen werden, dass bei linienförmiger Fixierung der Referenzzuschnitte das Drapierverhalten nicht signifikant eingeschränkt wurde.

Bei Verwendung von GF/PP-Hybridgarngeweben eignet sich auch der Laser zur mustergemäßen lokalen Fixierung. Nach optimierter Anwendung entspricht die Preform exakt der zu erzielenden Bauteilgeometrie (ausgenommen Preformdicke – hier erfolgt eine erhebliche Dickenänderung im Bauteil) und ist eigenstabil.

Die lokale Strukturfixierung ermöglicht damit eine deutlich verbesserte Preformqualität und schafft die wesentlichen Voraussetzungen für die Erhöhung des Automatisierungsgrades in der gesamten Prozesskette der Preformfertigung.

Das dem Bericht zugrunde liegende FE-Vorhaben „Reproduzierbare Preformfertigung für textilverstärkte Kunststoffe“ wurde im Auftrag der AIF unter dem Förderkennzeichen 151 29 BR durchgeführt.