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Nov 30, 2023

Die maßgeschneiderte Faserplatzierungstechnologie macht Kohlefaser zu einer praktikableren Option

Fortschritte in der Technologie zur maßgeschneiderten Faserplatzierung machen Kohlefaser zu einem immer attraktiveren Produkt

Fortschritte in der Technologie zur maßgeschneiderten Faserplatzierung machen Kohlefaser zu einer praktikableren Mainstream-Option. Billiger, stärker und viel anpassungsfähiger – die Herstellungsmöglichkeiten sind enorm, wie Richard Harrington erklärt

Das Hinzufügen von „Leichtigkeit“ ist eine wirksame Methode zur Steigerung der Effizienz und Leistungssteigerung. Zur Erzielung von Leichtbauergebnissen sind Verbundwerkstoffe eine modische Wahl, doch jüngste Verfeinerungen des Tailored Fiber Placement (TFP)-Verfahrens erweitern die traditionellen Vorteile, die die Verwendung von Kohlefasern mit sich bringt, einschließlich erhöhter Festigkeit, noch weiter. Modernes TFP reduziert zudem die Kosten und macht den Verbundwerkstoff für eine breitere Anwendung geeignet.

„Abgesehen von einer Handvoll Kleinserienanwendungen hat die Automobilindustrie festgestellt, dass die relativ geringe Produktivität, die hohen Kosten, die Materialverschwendung und die arbeitsintensiven Herstellungsprozesse einer breiteren Einführung von Kohlenstofffasern als Material für große oder komplexe Anwendungen entgegenstehen Komponenten", erklärt Julius Sobizack, Geschäftsführer beiZSK , der deutsche Stickmaschinenhersteller, ist für die innovative Weiterentwicklung des TFP-Verfahrens verantwortlich. „TFP gibt es schon seit den 1990er Jahren, aber seine Vorteile werden erst jetzt durch Fortschritte in der Art und Weise, wie Materialien verlegt werden, und durch das Verständnis ihrer komplexen Eigenschaften ausgeschöpft.“

Im Wesentlichen erhöht TFP den Automatisierungsgrad bei der Herstellung von kohlenstofffaserverstärkten Polymeren (CRFP) und reduziert gleichzeitig die Materialverschwendung drastisch. Obwohl TFP zu Beginn eine attraktive Option war, gelang es ihr zunächst nicht, die erforderliche Produktivität zu erzielen, um sich als Mainstream-Technik zu etablieren. Aktualisierungen des Prozesses versprechen, diese Bedenken auszuräumen, und die Einführung findet bei Herstellern in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Medizin, saubere Energie, intelligente Kleidung und Sportausrüstung bereits zunehmende Verbreitung.

TFP bietet nahezu grenzenlose Anwendungsfreiheit und macht die Vorteile von Verbundwerkstoffen greifbar. CRFP kann beispielsweise zehnmal stärker als Stahl sein und dabei nur ein Fünftel so viel wiegen. Dies führt insbesondere für die Automobil- und Luftfahrtindustrie zu erheblichen wirtschaftlichen Einsparungen. „Unabhängige Studien zeigen, dass eine Gewichtsreduktion um 10 % zu einer Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs um 6–8 % führen kann“, erklärt Sobizack. „Die Einsparungen sind in der Luft- und Raumfahrtindustrie deutlicher, wo nach Angaben eines großen Luftfahrtunternehmens jedes Kilo, das aus seiner Flugzeugflotte entnommen wird, dem Unternehmen 20.000 US-Dollar pro Jahr einspart. Natürlich stehen diese Vorteile perfekt im Einklang mit der Forderung, die Emissionen immer weiter zu reduzieren.“ "

Einer der offensichtlichsten Nachteile von Kohlefaser sind die Kosten. Bei Verwendung herkömmlicher Fertigungstechniken können Komponenten das Zwanzigfache eines entsprechenden Stahlteils kosten. Auch für komplexe oder tragende Formen ist es ungeeignet: Die physikalischen Eigenschaften von Carbonfasern sind nur dann immens stark, wenn über ihre Länge Kräfte ausgeübt werden. Aus diesem Grund werden Kohlefaserschichten in verschiedenen Winkeln aufgetragen, um die Festigkeit eines Bauteils in mehrere Richtungen aufzubauen, was bei komplexen Formen eine Herausforderung darstellt und äußerst arbeitsintensiv ist. Jede Schicht wird aus Kohlenstofffaserplatten geschnitten, die häufig mit dem Matrixharz (sogenanntes „Prepreg“) vorimprägniert sind, was zu einer hohen Verschwendung von kostspieligem Material führt – in manchen Fällen bis zu 60 %. TFP geht diese Bedenken direkt an.

TFP nutzt stickereibasierte Techniken zur Herstellung von Verbundwerkstoffen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Laminatkonstruktionsmethoden beginnt TFP mit dem Verstärkungsmaterial in seiner stärksten und im Allgemeinen kostengünstigsten Form: Trockenfasern. Da vor der Herstellung des Vorformlings keine Lagen vorbereitet werden müssen, entfällt der Schneidschritt vollständig. Durch das Anordnen der Fasern und das regelmäßige Vernähen mit der Basisschicht werden Abfallmaterialien soweit reduziert, dass die Materialausschussrate bei einem TFP-Teil im Bereich von 1 bis 2 % liegt.

„Einer der Hauptvorteile von TFP besteht darin, dass einzelne Fasern genau nach Bedarf platziert werden können, ohne dass mehrere Schichten erforderlich sind, was Designern nahezu unbegrenzte Freiheit gibt, eine Struktur basierend auf den auf sie einwirkenden Kräften zu optimieren“, bemerkt Melanie Hoerr, technische Leiterin bei ZSK Stickereimanager. „Dank des hohen Automatisierungsgrads ist TFP vollständig wiederholbar, wodurch Abweichungen in Abmessung, Dichte oder Faserposition minimiert und menschliche Fehler vermieden werden, sodass eine gleichbleibende Strukturleistung gewährleistet ist.“

„Mit diesem Verfahren lassen sich Fadenschichten ablegen, ohne sie in regelmäßigen Abständen mit dem Grundmaterial zu vernähen“, fährt sie fort. „Um die Position beizubehalten, können Schichten an einigen Schlüsselpunkten verankert werden, wodurch sich der Vorformling beim Pressen in eine Form in komplexe 3D-Formen verformen kann, was zu Geometrien führt, die mit alternativen automatisierten Methoden kaum zu reproduzieren wären. Dies ermöglicht Kohlenstofffasern.“ eine kostengünstige Option für Hersteller zu werden, die leichte, tragende Komponenten wie Aufhängungskomponenten, Karosserieelemente, Montagehalterungen und andere Struktur- und Halbstrukturelemente entwerfen, die traditionell aus Stahl oder Aluminium hergestellt würden. In solchen Fällen die Gewichtsersparnis ist erheblich.“

Vor TFP war es nicht immer möglich, alle Belastungsbedingungen mit festen Faserorientierungen zu erfüllen, selbst durch den Aufbau mehrerer Schichten. Jede Schicht muss einzeln zugeschnitten werden, oft aus Prepreg, was zu erheblichem Abfall führt und sehr arbeitsintensiv ist. Prepreg-Materialien haben auch ihre eigenen Nuancen und Eintrittsbarrieren: Sie müssen auf einer niedrigen Temperatur gehalten werden, um eine Alterung des duroplastischen Harzes zu verhindern, und die erforderliche Schneidtechnologie kann komplex und teuer sein. Dies schränkt den Spielraum für die Massenproduktion ein und erhöht die Kosten für Fertigprodukte. Im Vergleich dazu können die Thermoplaste, die im Allgemeinen als Teil einer TFP-Matrix verwendet werden, bei Raumtemperatur gehalten werden und weisen im Vergleich zu duroplastischen Harzen eine deutlich verbesserte Schlagfestigkeit auf.

Eine der Innovationen von ZSK, die zur Weiterentwicklung der Zugänglichkeit von TFP geführt hat, ist die Einführung seiner Fast Fiber Laying-Technologie. Mit dieser Technik lassen sich Fadenzwischenlagen extrem schnell und mit minimalen Stichen ablegen, wobei der Schwerpunkt auf der Verankerung und Änderungen der Fadenorientierung liegt. Anschließend wird die oberste Lage gründlich vernäht und die darunter liegenden Lagen fixiert. Dies geht viel schneller, als in regelmäßigen Abständen jede Schicht bis zur Basisschicht durchzunähen, und ergänzt die flexible Fertigungsfläche, die TFP innewohnt.

Der automatisierte Prozess reicht bis zum Wechsel zwischen Faden- oder Spulenwechsel und ist hoch skalierbar. Jeder ZSK-Maschinenkopf kann zwischen 1 und 3 kg Carbonfaser-Preform pro Stunde verlegen und zwei Rovings mit jeweils bis zu 60.000 Fasern verarbeiten. Maschinen mit bis zu acht Köpfen können Bauteile gleichzeitig erstellen, was die Zykluszeit erheblich verkürzt. TFP ist ein einfaches Konzept, dessen Verfeinerung jedoch komplex ist. Designer müssen die Drapierungssimulation verstehen (wo Material hinzugefügt oder entfernt werden muss, um sicherzustellen, dass 2D-Vorformlinge erfolgreich in eine 3D-Struktur gepresst werden) und wo und wie Stiche angebracht werden sollten, um eine optimale Verformung und beabsichtigte Festigkeit zu erzielen. Aufgrund dieser Komplexität hat das ZSK Forschungs- und Ausbildungszentren sowohl in Europa als auch in Seattle, USA, eingerichtet. Diese Zentren ermöglichen es Ingenieuren, sich mit dem Prozess vertraut zu machen, aber auch sein erhebliches Potenzial besser zu verstehen.

„TFP-Prinzipien können nicht nur auf die Herstellung von Kohlenstoffverbundwerkstoffen angewendet werden“, schließt Sobizack. „Für eine Reihe von Branchen kann beispielsweise eine Doppelkopf-Stickmaschine zum Nähen eingebetteter Komponenten wie elektrischer Leitungen, Heizelemente, Dehnungsmessstreifen oder Antennen verwendet werden. Dies ermöglicht eine breitere Nutzung intelligenter Textilien mit eingebetteten Elementen.“ B. RFID-Komponenten. Selbst komplexe Verkabelungssysteme können für Anwendungen wie die Innenausstattung von Automobilen oder der Luft- und Raumfahrt der nächsten Generation bestickt werden; das Potenzial ist riesig.“