Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erforschung von tiefziehfähigen UD-Geweben aus endlosen Verstärkungsfasern für nicht abwickelbare Bauteil-Geometrien zur Herstellung von Faserkunststoffverbund-Bauteilen

Der Anspruch an komplex geformte FVK-Geometrien nimmt stetig zu. Viele Formgebungen verlangen starke Umformgrade und gehen von Tiefziehmaßstäben der Blechverarbeitung aus. Die Schwierigkeiten bei formverändernden Verfahren an gewebten Verstärkungslagen liegen in der Beibehaltung des optimalen textilen Lagenaufbaus mit korrekter Faserorientierung nach der Formgebung. Dies gilt insbesondere für die Drapierung unelastischer Endlosfasern bei nicht abwickelbaren Geometrien und steilen Flanken. In dem Forschungsprojekt werden neue Methoden und deren Verfahren zur Herstellung von flächigen Gewebehalbzeugen aus endlosen Verstärkungsfasern für eine faltenfreie 3D-Umformbarkeit untersucht. Mit einer speziell angepassten Bindetechnik sollen lasttragende Verstärkungsfäden und sich zu einem späteren Zeitpunkt auflösende Fäden in einem doppellagigen Gewebe miteinander verwebt werden. Die verbindenden Polfäden erzeugen hierbei einen Fadenvorrat. Nach der flächigen Gewebeherstellung werden den Verstärkungsfäden durch Aufschmelzen bzw. Auflösen bestimmter "Opferfäden" die entsprechenden Längen für ein verbessertes Tiefziehverhalten komplexer Bauteilgeometrien wieder freigegeben. Mit diesen neuen unidirektionalen Gewebehalbzeugen werden sehr komplexe dreidimensionale Formgebungen möglich, wobei die Verstärkungsfasern optimal orientiert im fertigen 3D-Bauteil vorliegen. Die Berechenbarkeit der bewirkten Zugfestigkeit im Bauteil wird vereinfacht. Ein numerisches Rechenmodell schafft die Voraussetzung dafür, die CAD-Daten des Bauteils in ortsaufgelöste Fadenlängen abzubilden, diese in Relation zum Faserwinkel in Jacquard-Bindungsdaten zu übersetzen und in die Maschinensteuerung zu übertragen. Somit wird in einer durchgängigen Produktionskette eine maximale Ausnutzung der hohen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften der Verstärkungsfäden im Faserverbundwerkstoff erreicht. Produktkosten und Fertigungszeiten für komplexe Composite-Geometrien vornehmlich in KMU`s werden sinken.

Ergebniszusammenfassung:

Durch den Klimawandel und der daraus resultierenden Nachfrage nach immer umweltfreundlicheren Produkte, spielt der Leichtbau eine immer wichtigere Rolle in der Automobil- und Luft und Raumfahrtindustrie. Durch diesen Trend des ressourcenschonenderen Umgangs und den damit verbundenen Leichtbau, ist eine dauerhaft steigende Nachfrage an FKV-Bauteilen schon jetzt Realität und auch in Zukunft weiterhin zu erwarten. Um den Einsatz von FKV-Bauteilen, anstatt von deutlich schwereren Metallbauteilen ermöglichen zu können, sind neue technische Verfahren zur Herstellung von FKV-Bauteilen mit komplexeren Geometrien zu entwickeln.

Dieses Projekt beschäftigt sich mit einer Rationalisierung bei der Herstellung von FKV-Bauteilen, bei einer gleichzeitigen freier gestaltbaren Bauteilgeometrien und einer kraftflussgerechteren Faserorientierung im Verstärkungsgewebe des FKV- Bauteil. Durch die Möglichkeit einer individuellen zusätzlichen Fadenspeicherung an exakt der geforderten Stelle im Verstärkungsgewebe, an der die Drapierung eine zusätzliche Fadenlänge zur Realisierung eine Umformung benötigt, lassen sich sehr komplexere FKV-Bauteile erschaffen. Zudem kann der Arbeitsschritt des Preformens bei der Herstellung von FKV-Bauteilen komplett wegfallen. Durch die Möglichkeit der Fadenspeicherung ist, neben dem Wegfall eines Arbeitsschrittes, eine Erhöhung des Umformgrades die Folge. Damit können faserverstärkte Bauteile aus planen Gewebehalbzeugen in Geometrien überführt werden, die bisher nicht herstellbar waren. Die Scherung der Fäden im Gewebe, nimmt im Umformprozess dadurch deutlich ab und erlaubt so die Herstellung eines gewebebasierten FKV-Bauteils, welches selbst nach seiner Umformung eine reproduzierbare, kraftflussgerechte Faserorientierung aufweist.

Durch die erzielten Ergebnisse, ist die Fertigung komplexer FKV-Bauteilgeomtrien aus Verstärkungsgeweben möglich, die gleichzeitig eine Erhöhung der Stabilität und eine Rationalisierung des Herstellungsprozesses erlauben.