Automatisierte Composite Fertigung und ihre langfristigen Möglichkeiten

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Automatisierte Composite Fertigung und ihre langfristigen Möglichkeiten

Die automatisierte Composite Fertigung wird bereits seit einigen Jahren erforscht. Dieser Beitrag behandelt gezielt die Frage: "Warum gibt es auf langfristige Sicht Vorteile für die Wirtschaft und den weltweiten Technologie-Standard, wenn die Fertigung im Composite Bereich automatisiert wird?"

Faserverbundkunststoffe oder auch Composites sind schon seit Längerem bekannte Werkstoffe in der Entwicklung und Konstruktion von Maschinen. Sie sind sehr leicht und besitzen dennoch mechanische Vorteile zu herkömmlichen Werkstoffen. Daher sind sie meist in Branchen zu finden, in denen die Leichtbau-Philosophie von höherer Bedeutung ist. Die Anwendung von Produkten aus Faserverbundkunststoffen hat demnach hauptsächlich konstruktionstechnische Hintergründe. Denn die Faserverbundkunststofftechnik hat einen entscheidenden Nachteil. Entwicklung und Fertigung von Composite Produkten sind sehr anspruchsvoll. Das hat zur Folge, dass sich der Arbeits- und Zeitaufwand erhöht und somit auch die Produktionskosten steigen. Faserverbundkunststoffe sind also deutlich teurer als übliche metallische Werkstoffe. Daher sind sie auch eher in Branchen vertreten in denen „leicht“ wichtiger ist als „preisgünstig“.

In der Industrie haben die Luft- und Raumfahrt oder der Automobilbau-Bereich bereits einige Schritte in der Forschung erfolgreich unternommen, die die Produktionskosten von Composite Produkten senken. 

Neben den wirtschaftlich starken Branchen bauen auch andere Bereiche – wie zum Beispiel die Windkraftbranche – auf dieser Werkstofftechnologie auf. Daher ist ein branchenübergreifender Austausch wünschenswert, um den Stand der Technik zu fördern. Der Fokus der Forschung liegt derzeit in der Automation von Fertigungsprozessen.

Warum ist die automatisierte Composite Fertigung so wichtig?

Die Fertigungsprozesse für Composites sind sehr komplex und können selbst mit dem heutigen Stand der Technik teilweise nur manuell erfolgen. Hauptsächlich ist das richtige Handling der Faserstrukturen prozesstechnisch schwer zu definieren. Werden diese Prozesse automatisiert über Maschinen durchgeführt, so können die Herstellkosten auf langfristige Sicht gesenkt werden. Die Kosten der Herstellung sind der Grund für den hohen Preis von Composite-Produkten. Wird der Preis gesenkt, kann diese Werkstofftechnologie auch für Unternehmen interessant werden, in denen Gewicht und Kosten gleich bedeutend sind. Die Industrie könnte somit auch in den kleineren Branchen wachsen.

Wieso sind die Herstellkosten so hoch?

Um zu verstehen warum die Produktion von Composite Produkten so viel anspruchsvoller ist, ist es wichtig den Aufbau und die Zusammensetzung von Faserverbundkunststoffen zu kennen. Wie der Name bereits verdeutlicht handelt es sich um einen „Verbund“-Werkstoff, der aus verschiedenen Komponenten besteht. Die Art und Weise des Zusammenschlusses dieser Komponenten ist in der Fertigung oft die Problematik, die gelöst werden muss.

Inspiriert wurde diese Werkstofftechnik von der Natur, speziell von dem Aufbau pflanzlicher Gewebestrukturen. Diese bestehen grob aus Fasern, welche durch eine umhüllende und schützende Matrix zusammengehalten werden.

Automatisierte Composite Fertigung FaserverbundstoffAufbau


Diese zwei Hauptkomponenten lassen sich gut in der Faserverbundstofftechnik wiedererkennen. Zum einen in den verstärkenden Fasern, die üblicherweise aus Kohlenstoff (CFK "Carbon") bzw. Glas (GFK "Glas") bestehen. Zum anderen in der Kunststoffmatrix, welche den Fasern Stabilität und Schutz bietet.

Die auszeichnenden mechanischen Eigenschaften, die Composites attraktiv machen, sind durch eine effiziente Kraftübertragung begründet. Faserverbundwerkstoffe leiten angreifende Kräfte gezielt und effektiv entlang ihrer Fasern durch das Bauteil. Die Kraftübertragung in einer einzelnen Faser ist abhängig von dessen Richtung (anisotrop). Um die Krafteinflüsse auf das Produkt richtungsunabhängig zu halten, werden die einzelnen Fasern strategisch angeordnet.

Die Schwierigkeit in der Produktion liegt nun darin, die Fasern strukturiert abzulegen und die Kunststoffmatrix dem hinzuzufügen. Dafür gibt es viele Möglichkeiten, die jedoch noch sehr aufwendig und teuer sind. Besonders das strukturierte Legen (preforming) braucht meistens noch manuelle Operationen. Ziel der Industrie ist es, das Zusammenbringen der beiden Komponenten in einem Gesamtprozess automatisiert zu ermöglichen. 

Dadurch können Herstellkosten langfristig gesenkt werden.

Worauf kommt es bei der Zusammenführung an?

Grundsätzlich ist, wie bei allen Fertigungsprozessen, das verwendete Material ausschlaggebend. Es ist also zum einen wichtig zu wissen, welche Art von Fasern verwendet werden. Und zum anderen kommt es auf die gewählte Kunststoffmatrix an. Der Konstrukteur entscheidet, je nach Anwendungsfall des Endproduktes, welches Material genutzt wird.

Die Fasern bestehen meistens aus Kohlefasern (CFK) beziehungsweise aus Glasfasern (GFK). Es gibt noch alternative Möglichkeiten, jedoch sind diese in der heutigen Industrie nicht von Bedeutung. Vergleicht man einzelne Faserbündel in ihrer Handhabung miteinander, so gibt es kleine Unterschiede zwischen Kohle und Glas. Der bedeutende Faktor ist jedoch in welcher Form die Fasern eingekauft werden. Oft sind die Fasern schon zu Matten vorgeflochten. Je engmaschiger sie geflochten werden, desto unflexibler sind diese in der Verarbeitung. 

Die Art der Fasern und deren Beschaffenheit ist also eines der Hauptkriterien, nach denen sich Fertigungsprozesse richten.

Ein anderes Kriterium ist die Kunststoffmatrix. Es gibt eine Vielzahl an Faktoren, die bestimmen, welcher Kunststoff konkret verwendet wird. Jedoch kann man grundsätzlich zwei Typen von verwendeten Kunststoffen unterscheiden. Es gibt thermoplastische und duroplastische Verbundkunststoffe. Beide haben unterschiedliche Vor- und Nachteile in ihrer Verwendung.

Der grundlegende Aufbau von Kunststoffen lässt sich in einfachster Form wie folgt erklären: Mehrere gleiche oder auch unterschiedliche Monomere werden zu verketteten Polymeren. Ein Polymer ist in diesem Fall ein Makromolekül, dessen Zusammenhalt durch die Bindungen zwischen deren Atomen begründet ist. Für den Kunststoff ist dann entscheidend, wie sich die einzelnen Polymere miteinander binden. Bei Thermoplasten halten sich die Polymere einzig durch Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Makromolekülen zusammen. Wohingegen die Polymere bei den Duroplasten in einem weiteren Schritt behandelt werden. Dabei werden die Makromoleküle so beeinflusst, dass sie untereinander echte Molekülbindungen eingehen und sich vernetzen. Den Unterschied der Vernetzung lässt sich an folgender Abbildung demonstrieren.


Composite Legeprozesse Thermo Duroplaste


Da die Duroplaste während der Entstehung engmaschig vernetzen, sind sie härter und spröder. Thermoplaste hingegen besitzen eine höhere Zähigkeit. Nachdem Duroplaste endgültig ausgehärtet sind, lassen sie sich nicht mehr aufschmelzen und neu verformen. Das fordert besondere Aushärteprozesse, die in die Fertigungskette integriert werden müssen. Jedoch besitzen die Kunststoffe dadurch eine höhere Hitzebeständigkeit

Thermoplaste lassen sich über ihrer Schmelztemperatur beliebig neu verformen, was prozesstechnische Vorteile hat. Die Hitzebeständigkeit ist dafür jedoch nicht so hoch.

Einschub: Lösungskonzepte zum jetzigen Stand der Technik

Eine etablierte Lösung ist sogenanntes Prepreg-Material. Dieser Faserverbundkunststoff kann als vorimprägniertes Halbzeug mit verschiedenen Mischungsverhältnissen aus Verstärkungsfasern und Matrix eingekauft werden. Diese Halbzeuge, auch Tapes genannt, bestehen aus parallelen Endlosfasern, die beidseitig von einem Harzfilm imprägniert und auf Rollen aufgewickelt werden. Das Prepreg kann in unterschiedlichen Breiten vorliegen und maschinenabhängig auch parallel verarbeitet werden. Sie können, je nach Verfahren, direkt auf Maß geschnitten und verlegt werden. Da die Fasern unidirektional in den Tapes liegen, gibt es bereits verschiedene Verfahren, die die Tapes strategisch ablegen. Dabei wird speziell darauf geachtet, dass Lagen mit verschiedenen Faserrichtungen erzeugt werden, um ein quasi-isotropes Endprodukt zu erhalten. Viele Teilnehmer haben sich in den letzten Jahren mit der Automatisierung befasst und bereits bekannte Verfahren, wie zum Beispiel Automated Tape Laying (ATL) oder Automated Fiber Placement (AFP), entwickelt. Die Abbildung zeigt eine mögliche Legestrategie, die in AFP-Prozessen verfolgt wird.


Composite Legeprozesse LegestrategieMit45GradDifferenzen

Zusammenfassend

Die Automation in der Faserverbundstofftechnik begründet einen wichtigen Schritt, um preiswertere Produkte aus Composites herzustellen. Doch für eine funktionierende Fertigung gibt es noch zu viele Parameter und Abhängigkeiten, die in automatisierten Prozessketten enorme Hindernisse darstellen. Zurzeit gibt es einige Forschungsarbeiten, die sich mit diesen Themen befassen. 


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