Endlosfaserverstärkung beim Blasformen

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Weberit Werke Dräbing GmbH
Endlosfaserverstärkung
beim Blasformen
Leichtbau im Minutentakt
Die Weberit Werke Dräbing GmbH hat sich mit dem Thema »Leichtbau mit
Faser-Kunststoff-Verbunden« ein strategisches Betätigungsfeld definiert
und entwickelt derzeit ein neuartiges Blasformverfahren zur Herstellung
von komplex geformten faserverstärkten Hohlprofilen.
Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) zeichnen sich
Thermoplastische Matrices ermöglichen Leichtbau
durch ihre hervorragenden gewichtsbezogenen
im Minutentakt
mechanischen Eigenschaften aus. Dies macht sie
Um die benötigten Stückzahlen wirtschaftlich her-
zum idealen Leichtbauwerkstoff und erklärt vor
zustellen, müssen serientaugliche, automatisierbare
dem Hintergrund der Forderung nach nachhaltiger
Fertigungsverfahren mit kurzen Zykluszeiten zum
Ressourcenschonung die steigende Nachfrage, vor
Einsatz kommen. Hierfür eignet sich besonders die
allem aus der Automobilindustrie. Nachteilig sind
Gruppe der faserverstärkten Thermoplaste, da für
die im Vergleich zu metallischen Werkstoffen hohen
ihre Konsolidierung keine chemische Aushärte-
Werkstoff- und Fertigungskosten.
reaktion erforderlich ist und sie reversibel umformbar sind. Durch die Kombination der Umformung
Mit der Kombination von
Ur- und Umformverfahren
(z.B. Spritzgießen und
Bauteil-
Thermoformen) können
komplexität
unverstärkt
komplexe FKV-Bauteile
wirtschaftlich hergestellt
werden. Die teuren End-
Kurzfaser
Urformen
losfasern werden nur in
Leichtbau im Minutentakt
den hochbelasteten Bereichen in Richtung der
Hauptlastpfade orientiert
angeordnet – in den nied-
Umformen
Langfaser
rig belasteten Zonen und
für Funktionselemente
kommen unverstärkte
oder mit Kurzfasern verstärkte Kunststoffe zum
Gewebe
Gelege
Einsatz.
Faserlänge
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vorimprägnierter endlosfaserverstärkter Halbzeuge
Bessere mechanische Eigenschaften besitzen Hohl-
Kontakt:
mit urformenden Verarbeitungsverfahren ist es
profile mit umlaufender, durchgängiger Faserver-
Weberit Werke
möglich komplexe FKV-Bauteile im Minutentakt
stärkung. Eine sehr effiziente Möglichkeit zur Her-
Dräbing GmbH
herzustellen. Durch Spritzgießen können die Bau-
stellung solcher Profile bietet das am Fachgebiet
Langenauer Straße 17
teile direkt im Herstellungsprozess funktionalisiert
Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen an der TU
57641 Oberlahr
werden. Beispielsweise können kurzfaserverstärkte
Darmstadt entwickelte IDU-Verfahren, ein Verfahren
www.weberit.de
Versteifungsrippen oder Schraubdome angespritzt
zur Umformung endlosfaserverstärkter Kreisrohre
werden (Abbildung S. xy).
mittels Innendruck [1]. Die Grundlage des Verfahrens
Ansprechpartner:
bildet ein mit Einschnitten quer zur Faserrichtung
Dr.-Ing. Christoph
Kostengünstiger Leichtbau mit FKV-Hohlprofilen
modifiziertes thermoplastisches Band-Halbzeug,
Schmidt
Weil Thermoplaste schweißbar sind, eignen sie
welches eine quasi-plastische Verformung in Faser-
Tel.: +49 2685 9510 62
sich zudem für die bei Kleinserien kostengünstige
längsrichtung zulässt. Dadurch ist es möglich, die aus
Christoph.schmidt@
weberit.de
Differentialbauweise auf Basis von FKV-Halbzeugen
dem fehlenden plastischen Verformungsvermögen
wie Platten und Profilen. Für viele Anwendungen
der Verstärkungsfasern resultierenden Einschrän-
sind Hohlprofile leichtbauoptimal. Bei der Lastfall-
kungen bei der Umformung endlosfaserverstärkter
kombination aus Biegung und Torsion sind sie auf-
Kreisrohre zu umgehen und die Verformungen in
grund ihrer hohen Flächenmomente den offenen
Umfangs- und Längsrichtung voneinander zu
Profilen überlegen. Die Biegesteifigkeit der Hohl-
entkoppeln.
profile lässt sich noch weiter steigern, wenn die
Querschnitte an den Schnittlastverlauf angepasst
Das vorkonsolidierte Basisrohr (oben, PA6-GF, 2,8
werden können. Solche komplex geformten FKV-
mm Wanddicke, 70 mm Innendurchmesser, 240 mm
Hohlprofile werden derzeit vorwiegend mit der
Länge) wurde auf einer Versuchsanlage im Labor-
Flechttechnik hergestellt oder aus flächigen Halb-
maßstab ohne Längenänderung mittels Innendruck
zeugen, die zu Halbschalen umgeformt werden,
bei hoher Temperatur zu einem komplexen
zusammengesetzt.
Hohlprofil (unten) umgeformt.
Stand der Technik für komplexe FKV-Hohlprofile
Mit der Flechttechnik können sehr komplexe Konturen
automatisiert hergestellt werden. Jedoch ist der
Anlagen- und Fertigungsaufwand hoch und die Bauteile weisen eine ausgeprägte Faserwelligkeit auf,
welche die Steifigkeiten und Festigkeiten reduziert
und sich negativ auf das Ermüdungsverhalten der
Bauteile auswirkt.
Die Umformverfahren auf Basis flächiger Halbzeuge
(Organobleche) ermöglichen eine wirtschaftliche
Herstellung von geschlossenen Hohlprofilen, was
allerdings eine nachträgliche Verschweißung der
umgeformten Halbschalen erfordert. In diesem Fall
liegen keine umlaufenden Verstärkungsfasern über
dem Querschnitt vor. Die Kraftübertragung erfolgt
somit nicht durchgängig über die hochfesten Verstärkungsfasern, sondern an der Schweißnaht
durch Schub über die unverstärkte Matrix.
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Prozessschritte zur
Auslegungsphase
Herstellung
Konsolidierung
Entformung
Herstellung komplexer
p Geometrie
der Faserwicklung
im Blasformprozess
des Hohlkörpers
FKV-Hohlkörper im
p Laminataufbau
p konfektionieren
p einlegen
p Werkzeug öffnen
Blasformverfahren.
p Einschnittmuster
p einschneiden
p extrudieren
p entnehmen
p aufrollen
p Werkzeug schließen
p Ränder besäumen
p umformen
(für Hohlprofile)
Zwar führt das gezielte Durchtrennen der Ver-
zum Polymer der Faserwicklung kompatiblen Kunst-
stärkungsfasern zu einer Unterbrechung des Kraft-
stoff, damit eine Schweißverbindung zur Faser-
flusses innerhalb der Einzelschicht und dadurch zu
wicklung entsteht.
einer Schwächung, jedoch lässt sich diese im Mehrschichtverbund durch eine an die Belastung ange-
Ziele und Märkte
passte Anordnung der Einschnitte auf ein Minimum
Durch die Industrialisierung dieses neuartigen
reduzieren.
Fertigungsverfahrens werden die Technologieschwerpunkte der Weberit Gruppe – Spritzgießen,
Quellenangaben:
[1]
Industrialisierung durch Kombination mit dem
Leichtbau und Extrusionsblasformen – zielführend
Extrusionsblasformen
miteinander kombiniert und neue Anwendungsgebiete
Das Verfahren, das bisher nur im Labormaßstab
erschlossen. Mit der Herstellung endlosfaserver-
erprobt wurde, wird derzeit von der Weberit Werke
stärkter Blasformteile werden ein hochinnovativer
Dräbing GmbH industrialisiert. Dafür wird das Know-
Wachstumsbereich besetzt und Alleinstellungs-
How aus der Verarbeitung von Faser-Kunststoff-
merkmale im Markt gesichert.
Verbunden im Spritzgießprozess (siehe CVC-News
SCHMIDT, C. (2015):
1-14, S. 26) auf den zweiten großen Bereich innerhalb
Vor allem im Bereich des Fahrzeug- und Maschinen-
Zum Innendruck-
der Firmengruppe – der Blasformtechnik – trans-
baus sind zahlreiche Anwendungsgebiete für komplex
umformen von Faser-
feriert. Durch die Kombination des IDU-Verfahrens
geformte, hoch belastbare FKV-Hohlprofile oder FKV-
Thermoplast-Kreis-
mit dem Extrusionsblasformen kann das Leichtbau-
Hohlkörper denkbar. Beispielsweise eignet sich die
rohren. Dissertation
potenzial von blasgeformten Kunststoffbauteilen er-
Technologie für Strukturbauteile (z.B. Dachrahmen,
D17, TU Darmstadt,
heblich gesteigert werden.
Querträger, Türrahmenmodule, Säulen oder Spaceframe-Komponenten) sowie für Speichersysteme wie
Shaker Verlag, Aachen
Im Herstellungsprozess wird zunächst eine aufge-
Kraftstofftanks und Abgasnachbehandlungsanlagen.
Danksagung:
heizte Faserwicklung aus dem mit Einschnitten modi-
Neben der Voll-Verbundbauweise können auch lokale
Die Grundlagen zu die-
fizierten Band-Halbzeug automatisiert in das Blas-
Verstärkungsbereiche eingebracht werden, um die
sem Verfahren wurden
formwerkzeug eingelegt und der thermoplastische
Steifigkeit der Bauteile definiert zu modifizieren.
am Fachgebiet Konst-
Vorformling in das Innere der Faserwicklung extru-
Dadurch kann das Eigenschwingungsverhalten und
ruktiver Leichtbau und
diert. Anschließend wird das Werkzeug geschlossen
die damit häufig verbundene Geräuschentwicklung
Bauweisen an der TU
und der Vorformling mit Innendruck beaufschlagt.
positiv beeinflusst werden.
Darmstadt, unter der
Dadurch weitet sich dieser auf und drückt die Faser-
Leitung von Herrn Prof.
wicklung gegen die innere Kontur des Blaswerkzeugs.
Dr.-Ing. Helmut Schür-
Der Vorformling sorgt für die Druckdichtigkeit wäh-
mann erarbeitet
rend des Umformvorgangs und besteht aus einem
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