Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Innovative geometrisch frei verstärkte Faserverbundwerkstoffe mittels Prepreg-kompatiblem Tailored Fiber Placement - "FreePreg"

In dem Forschungsprojekt FreePreg erfolgt die Entwicklung einer Prozesskette, welche die kontinuierliche Fertigung von FVK-Hochleistungsstrukturen mit lastgerecht abgelegten Endlosfasern ermöglicht. Mittels Tailored Fiber Placement (TFP) werden Carbonfaserrovings entlang der Lastpfade im späteren Bauteil auf ein Vlies gestickt. Es werden schrittweise mehrere TFP-Strukturen bei optimaler Ausnutzung der Bahnbreite nebeneinander aufgebracht. Die bestickten Vliesbahnen werden anschließend zu einer kontinuierlichen Rollenware zusammengefügt und in einem kontinuierlichen Prozess auf der Oberseite mit einem Prepreg-Epoxidharz beschichtet (Kiss-Coater). Das Produkt dieser Halbzeugfertigung sind optimal an die Lastpfade angepasste, frei abgelegte, bereits vorimprägnierte Vorformlinge auf einer Rollenware – FreePregs. Die freie Roving-Ablage ermöglicht eine exakte Anpassung an die Bauteilanforderungen mit optimaler Ausnutzung der Fasereigenschaften bei minimalem Verschnitt. Die Teilimprägnierung reduziert den Fließweg der Matrix deutlich, womit geringe Taktzeiten erreicht werden und bereits geringe Drücke bei der Konsolidierung ausreichen (out-of-autoclave). Der kontinuierliche Tränkungsprozess garantiert einen hohen Durchsatz mit geringem personellem Aufwand. Zudem kann das Halbzeug mit klassischen Prepregs verarbeitet werden. Als Abfall fallen ausschließlich trockene Fasern in geringen Mengen an. Der Kreis der Anwender besteht aus den Herstellern von TFP-Halbzeugen und Beschichtungsunternehmen sowie FVKBauteilherstellern. Die Technologie adressiert Zulieferermärkte für Spezialanwendungen für Produkte für die Luftfahrt und im Automobilsektor. Diese Märkte sind überwiegend von spezialisierten KMU besetzt. Es wird geschätzt, dass die Technologie für circa 100 KMU aus der Branche relevant ist. Das geschätzte Marktpotential für derartige Sonderbauteile liegt bei 2,3 Mrd. Euro jährlich.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes konnte die technische Machbarkeit für die Nutzung von Carbonfaser-Vliesstoffen zur Nutzung als Stickgrund für TFP-Lokalverstärkungen nachgewiesen werden. Auf Grundlage der Technologie wurde Vlies-Rollenware mit TFP-Verstärkungen hergestellt, die dem Beschichtungsprozess zugeführt werden können. Dadurch kann eine Imprägnierung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren erfolgen. Es erfolgte die Bestimmung der resultierenden mechanischen Verbundeigenschaften. Darauf aufbauend wurde das Potenzial des neuen Fertigungsverfahren anhand eines Demonstratorbauteils für die Anwendbarkeit an einem Sandwich-Paneel validiert.

Die Herstellungskosten für ein FreePreg Bauteil mittlerer Größe in einer Serienproduktion von ca. 85.000 Teilen betragen insgesamt 13,84 € pro Stück und setzen sich aus den Herstellungskosten für TFP-Preforms und deren Beschichtung zusammen. Die Kosten können damit um ca. 6 % gegenüber vergleichbaren Carbonfaser-Prepregs reduziert werden. Gleichzeit konnten die mechanischen Eigenschaften der aus FreePreg produzierten Verbundbauteile um bis zu 23 % gegenüber trockenen Lochverstärkungen erhöht werden. Der Einsatz der TFP-Lochverstärkungen kann insbesondere die Performance um über 100 % steigern. Dadurch kann der Einsatz der TFP-Strukturen als nachträgliche Lokal- oder Flächenverstärkung in FVK-Bauteilen erfolgen. Dies ist vor allem für die Anwendung in strukturellen Verbundbauteilen von hoher Bedeutung.

Neben diesen zentralen Ergebnissen wurde den beteiligten Unternehmen des Projektbegleitenden Ausschusses ein tiefergehender Einblick in die neue Technologie und den neuen Carbonfaser-Vliesstoffen ermöglicht. Die gesammelten Erkenntnisse bezüglich des neuen Rolle-zu-Rolle Verfahrens können auf weitere Faserverbundbauteile und deren Herstellungsprinzipien genutzt werden.