Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer intelligenten Membrane zur presstechnologischen Herstellung von Hochleistungsverbundwerkstoffen mit hoher geometrischer Variabilität

Faserverstärkte Kunststoffe zählen bei der Auswahl geeigneter Werkstoffe in vielfältigen Anwendungen zunehmend zum Stand der Technik. Als wesentliches Hemmnis können hierbei die hohen Rohstoffkosten und die vergleichsweise geringe Produktivität der notwendigen Fertigungstechnologien identifiziert werden. Diese gehen oftmals mit komplexen Werkzeugsystemen und einem hohen Investment einher. Insbesondere dem steigenden Trend nach individualisierten Lösungen in der Bauteilgestaltung bei gleichzeitig geringen Losgrößen kann aufgrund einer unzureichenden Flexibilität in der Fertigung nicht ausreichend bedient werden. Die Wettbewerbsfähigkeit europäischer Firmen mit hohen Lohnkosten ist daher zunehmend in Gefahr.

Das Ziel des Vorhabens SmartMembrane ist die Entwicklung einer intelligenten Elastomer-Membrane in Kombination mit einem adaptiven Werkzeugsystem zur flexiblen Herstellung endkonturnaher faserverstärkter Kunststoffe.

Hierbei werden Lösungen zur werkstoffgerechten Integration von Sensoren zur Prozessüberwachung sowie elektrisch kontaktierter Heizelemente auf Basis von Nanopartikeln in geschichteten Membranen entwickelt und anhand experimenteller Studien validiert. Die Nutzung schnell-härtender Matrixsysteme mit Snap-Cure-Funktion, deren Vernetzung durch die flächig eingebrachte Prozesstemperatur eingeleitet wird, trägt zu einer deutlich verbesserten Effizienz, Produktivität und geringeren Fehleranfälligkeit des entwickelten Verfahrens bei. Auf Basis experimentell validierten Modellen der Numerik bzw. Analytik zur Beschreibung der Vernetzungsreaktion können relevante Prozessparameter für beliebige Verbundspezifikationen und Bauteilgeometrien vorhergesagt werden.

Insbesondere kleineren und mittleren Unternehmen steht nach Projektende eine hoch flexible Verarbeitungstechnologie mit geringem Investitionsbedarf zur Verfügung, die erheblich zur Minimierung der Produktionskosten beiträgt und die Wettbewerbsfähigkeit signifikant steigert.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Projektes war es, ein adaptives Fertigungsverfahren zu entwickeln, bei dem das bauteilspezifische Fertigungswerkzeug mit einer beheizbaren, flexiblen Membran mit integrierten Sensoren so kombiniert wird, dass es sich eignet, Hochleistungs-Kompositmaterialien wie die neuartigen Snap-Cure-Polymersysteme in einem adaptiven Prozess zu formen.

Das Projektkonsortium von SmartMembrane hatte drei wichtige Forschungs- und Entwicklungsthemen identifiziert, die für den Erfolg der vorgeschlagenen Lösung unerlässlich sind: Die erste Aufgabe war die Entwicklung geeigneter Elastomerwerkstoffe, die den hohen mechanischen und physikalischen Anforderungen standhalten können. Im Anschluss daran erfolgte die Konzeption und Umsetzung von Heizelementen mit angeschlossenen sensorischen Elementen zur Prozessüberwachung und -steuerung. Schließlich wurde die Implementierung der intelligenten Membran mit einer adaptiven Form zur Funktionsvalidierung und Optimierung zur Verarbeitung von schnellhärtenden Polymersystemen durchgeführt.

Im Laufe des Projekts wurden die folgenden Ergebnisse erzielt:

• Heizschicht mit einstellbarer beheizbarer Fläche, Eingangsspannung, Ausgangsleistung und Größe

• Smartmembran mit Temperatur- und Drucksensoren

• Epoxid-Komposit, das mit der Smartmembran hergestellt wurde

• Hochskaliertes Verfahren für die Herstellung von Heizmembranen

Auf der Grundlage der erzielten Ergebnisse wurde in Absprache mit den interessierten Unternehmen ein Demonstratordesign ausgewählt, welches den Leistungsanforderungen entsprach.