Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von neuartigen Multimaterialgarnkonstruktionen aus Hochleistungs- und Metallfasern mit hoher Durchmischung auf Mikroebene für neuartige Faser-Metall-Hybridverbundwerkstoffe (FMV) mit signifikant verbesserter Schadenstoleranz

Heutige Megatrends in den Bereichen Materialeffizienz, Elektromobilität und CO2-Reduktion sowie erhöhte Sicherheits- und Leistungsanforderungen verlangen neue Materialkonzepte auf Basis definierter Eigenschaften. Dies kann insbesondere durch eine anforderungsgerechte Kombination von Hochleistungsfasern, die über hohe Steifigkeit und Festigkeit verfügen, mit den Vorteilen von traditionellen Metallwerkstoffen, die sich durch eine höhere Energieaufnahme und Duktilität auszeichnen, und durch den Einsatz daraus gefertigter Hybridbauteile erzielt werden. Die bisherigen Hybridmaterialien aus Metallen und Hochleistungsfasern beschränken sich einerseits auf die Hybridisierung verschiedener Monomaterialgarne auf Mesoebene und andererseits auf schichtweise aufgebaute FKV-Metall-Laminate (Hybridisierung auf Makroebene). Solche FKV-Metallverbunde haben jedoch besondere Nachteile: unzureichende Durchmischung der Komponenten, sehr hohe Herstellungskosten von FML und die entstandenen interlaminaren Grenzflächen zwischen Metallblech und Matrixmaterial. Daher ist das Ziel dieses Projektes die Erarbeitung von Basiswissen und anwendungsbezogenen technologischen Grundlagen zur Entwicklung und Fertigung von auf Mikroebene durchmischten Multimaterialgarnkonstruktionen aus Metall- und Hochleistungsfasern für Duroplast- und Thermoplastverbunde für den Einsatz in Faser-Metall-Hybridverbunden mit signifikant verbesserter Schadenstoleranz. Es werden umfangreiche konzeptionelle, konstruktiv-technologische Entwicklungen hinsichtlich der Düseneinheit, des neuen Streckwerksystems, der Bindemittelauftrags/-trocknungsvorrichtungen realisiert. Eine Wirtschaftlichkeitsanalyse wird durchgeführt und eine Fertigungsrichtlinie für KMU erstellt. Der konkrete Nutzen für die KMU nach Umsetzung der Forschungsergebnisse liegt in Herstellung und Vertrieb von innovativen Multimaterialgarnkonstruktionen, Halbzeugen und Verbundbauteilen mit signifikant verbesserten Eigenschaften für verschiedenste Anwendungen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens (19919 BR) wurden am ITM Multimaterialgarnkonstruktionen aus Metall- und Hochleistungsfasern mit hoher Durchmischung auf Mikroebene für Duroplast- und Thermoplastverbunde sowie die dafür notwendigen industriellen Herstellungsprozesse entwickelt. Diese Multimaterialgarnkonstruktionen sollen in neuartige Faser-Metall-Hybridverbundwerkstoffe (FMV) mit signifikant verbesserter Schadenstoleranz eingesetzt werden.

Das Vorhaben umfasst die Entwicklung, Erprobung und Nutzung eines flexiblen, modular aufgebauten Versuchsstands, der eine gleichmäßige und schonende Durchmischung der verschiedenen Faserkomponenten in unterschiedlichen Aufmachungen (Endlos- und Stapelfasern) auf Mikroebene und in definierten Anteilen zur Fertigung der Multimaterialgarnkonstruktionen ermöglicht. Zudem wird eine Analyse zur Ermittlung des Einsatzpotenzials für FMV-Anwendungen durchgeführt. Dazu wurden umfangreiche konzeptionelle konstruktiv-technologische Entwicklungen der Düseneinheit, des Streckwerksystems sowie der Bindemittelauftrags/-trocknungs- und der Aufwicklungsvorrichtung unternommen. Sie dienen dem Aufbau des Versuchsstands für den kombinierten Faser-/Filamenteinsatz mit Metall-, Hochleistungs- und Thermoplastfasern.

Das Versuchsstandkonzept sieht vor, dass für die KMU nach Projektabschluss auch die Möglichkeit besteht, einen solchen, flexibel modular aufgebauten Versuchsstand mit moderaten, anforderungsgerechten Modifikationen beispielweise in konventionelle Flyer-, Friktionsspinn- und Umwindespinnmaschinen zu implementieren. Dadurch wird eine breite Nutzung der Projektergebnisse für unterschiedliche KMU mit sehr geringen Investitionen ermöglicht. Der konkrete Nutzen für die KMU nach Umsetzung der Forschungsergebnisse liegt in Herstellung und Vertrieb von Multimaterialgarnkonstruktionen, Halbzeugen und Verbundbauteilen mit signifikant verbesserten Eigenschaften für verschiedenste Anwendungen.