Faserverstärkte Thermoplaste für hochbelastete

FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR MIKROSTRUKTUR
VON WERKSTOFFEN UND SYSTEMEN IMWS
FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR MIKROSTRUKTUR VON WERKSTOFFEN UND SYSTEMEN IMWS
Verfahren und Ausstattung
Geschäftsfeld
Geschäftsfeldleiter
Gruppenleiter
Polymeranwendungen
Polymerbasiertes Materialdesign
Polymerverarbeitung
Minicompounder mit konischen Doppelschnecken
Dehnungsmessung: Extensometer, ARAMIS® Systeme
Walter-Hülse-Straße 1
Prof. Dr. Peter Michel
Prof. Dr. Mario Beiner
Minispritzgießanlage
In-situ-Verformungseinrichtungen für Raster-,
06120 Halle (Saale)
[email protected]
[email protected]
Telefon: +49 345 5589-0
Telefon: +49 345 5589-203
Telefon: +49 345 5589-247
Gruppenleiterin Thermoplast-
Gruppenleiter
Gruppenleiter
basierte Faserverbund-Halbzeuge
Hochleistungsthermoplaste
Faserverbundstrukturen
UD-Tape Anlage (Schmelzeimprägnierung) mit 500 mm
Transmissions-Elektronenmikroskope und Röntgen-CT
Dynamische-mechanische Analyse (DMA)
Arbeitsbreite
Doppelbandpresse zur Laminatherstellung
Rheometer
Laminat-Presse (400 x 400 mm), 400 °C, maximaler
Pressdruck 10 N/mm
2
Parallele, gleichlaufende, frei konfigurierbare Doppel-
Bewertung des Einsatzverhaltens bei Temperaturund Medienbelastung
schneckenextruder vom Labor- bis in den Pilotmaßstab
Klima- und Temperaturprüfkammern
Ivonne Jahn
Dr.-Ing. Matthias Zscheyge
Dr.-Ing. Ralf Schlimper
(5-400 kg/h), austragsseitig mit Strang-, Unterwassergra-
Thermoschock-Kammer -80 bis 220°C
[email protected]
[email protected]
[email protected]
nulierung sowie Heißabschlag ausgerüstet
Korrosionsprüfstände für wässrige und gasförmige
Telefon: +49 345 5589-474
Telefon: +49 345 5589-475
Telefon: +49 345 5589-263
Konisch gegendrehender Doppelschneckenextruder
Einschneckenextruder
Profilextrusion
Faserschneide, Stapellängen 1,5-98 mm
Polymer-Pulvermühle, Schredderanlage, Walzenmühle
Injection Molding Compounder KM 1300-14 000 IMC,
Schließkraft 1300 Tonnen, max. Schussgewicht 5300
Gramm (PS)
Injection Molding Compounder KM 3200-24 500 MX
IMC, Schließkraft 3200 Tonnen, max. Schussgewicht
20000 Gramm (PS)
Spritzgießmaschine KM 200-1000 C2, Schließkraft
200 Tonnen, max. Schussgewicht 476 Gramm (PS),
Werkzeug-Temperierung bis 140 °C, separate 2. Spritzeinheit SP 160, vertikal, max. Schussgewicht 68 Gramm (PS)
Trockenofen (2x2x2 m³) und Vakuuminfusionsverfahren
Mechanische Prüfung
Servohydraulische, elektrodynamische und elektromechanische Prüfmaschinen (10 mN bis 450 kN) mit
Temperierkammern von -85 bis 250 °C
Hydraulisches Prüffeld für die Bauteilprüfung (statisch,
fatigue, auch mehrachsig)
Torsionsprüfanlage bis ±100 Nm und ±135 Grad
Kriechprüfstände
Pendelschlagwerk und instrumentierte Fallgewichtsanlage
bis 1800 J; 24 m/s
Medien
Zerstörungsfreie Prüfung (zfP) und Mikrostrukturanalyse
WWW.IMWS.FRAUNHOFER.DE
3D-Röntgen-CT-Inspektionsanlage mit In-situ-
Wir arbeiten nach einem Qualitätsmanagement-System, das nach DIN ISO 9001:2008 zertifiziert ist.
Verformungseinrichtung
Luftgekoppelter Ultraschall
(Scanfläche 1500 x 1000 mm²)
Akustische Rastermikroskopie (MHz bis GHz)
Werkstofflösungen für Materialund Energieeffizienz
Aktive Thermographieverfahren (PPT, Lock-in, TSA)
Röntgendiffraktometrie
Mit den Lösungen des Fraunhofer IMWS können der Energie-
Werkstoffmodellierung, Prozess- und Bauteilsimulation
Elektronenmikroskopie (ESEM,REM,TEM)
verbrauch und der Materialeinsatz bei der Herstellung und
Randschichtbewertung, Beschichtungen, Tribologie,
im Einsatz von Werkstoffen und Bauteilen reduziert sowie die
Thermische Analyse
Energieverluste bei der Erzeugung, Umwandlung und Speiche-
Thermomechanische und thermogravimetrische Analyse
rung von Energie gesenkt werden.
(TMA, TGA)
Fraunhofer-IMWS-Lösungen führen zu längerer Bauteillebens-
Rotationsrheometer
dauer und höheren Standzeiten sowie zu gesteigerter
Hochdruckkapillarviskosimeter
Zuverlässigkeit und Sicherheit. Daraus resultieren wirtschaft-
HDT-Wärmeformbeständigkeits- und Vicat-Erweichungs-
lichere Prozesse und Kosteneinsparungen
temperaturmessung
Dielektrische Analyse (DEA)
Funktionalisierungen, Bio- und Grenzflächenanalytik
Prozess-, Verfahrens- und Geräteentwicklungen
Institutsleitung
Prof. Dr. Ralf B. Wehrspohn
Aufklärung und Management von Defekten, Rissbildung,
Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC)
Verformung, Versagen, Verschleiß, Fehlverhalten,
Schubstangendilatometer
Fraunhofer IMWS
Ermüdung
Walter-Hülse-Straße 1
Werkstoffcharakterisierung und -optimierung,
Simulation / CAE
Bauteilprüfung, Schadensanalysen, Fehlerdiagnostik,
FEM (Ansys, Abaqus, LS-Dyna)
Mikrostrukturanalyse
CATIA, Inventor
06120 Halle (Saale)
Telefon +49 345 5589-0
FASERVERSTÄRKTE THERMOPLASTE FÜR
HOCHBELASTBARE LEICHTBAUSTRUKTUREN
Vom Materialdesign bis zum
geprüften prototypischen Bauteil
Highlights
Polymerbasiertes Materialdesign
Thermoplastbasierte
Faserverbund-Halbzeuge
Hochleistungsthermoplaste
Faserverbundstrukturen
Die Gruppe Polymerbasiertes Materialdesign beschäftigt sich
Die Kernkompetenzen der Gruppe liegen in der anwendungs-
Der Schwerpunkt der Gruppe Hochleistungsthermoplaste liegt
In der Gruppe Faserverbundstrukturen steht die Bewertung
DAS PILOTANLAGENZENTRUM PAZ
Polymere haben heute ihren Platz als Konstruktionswerkstoff
Das Fraunhofer-Pilotanlagenzentrum für Polymersynthese
mit der Entwicklung neuer Materialkonzepte sowie mit Frage-
spezifischen Materialentwicklung von Thermoplast-Composites
in der Bauteil- und Technologieentwicklung für thermoplast-
des Einsatzes von polymerbasierten Faserverbundwerkstof-
unter anderem in Verbindung mit konventionellen Material-
und -verarbeitung PAZ ist eine gemeinsame Initiative des
stellungen zur Optimierung bestehender Polymermaterialien
sowie in der Entwicklung faserverstärkter Halbzeuge. Besonde-
basierte Leichtbaustrukturen ausgehend von den Faserver-
fen in hochbelasteten Leichtbaustrukturen und -bauteilen im
systemen im Bereich höherwertiger Hybridsysteme besetzt. In
Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung
hinsichtlich ihrer physikalischen und mechanischen Eigen-
re Berücksichtigung finden hierbei die Verarbeitungseinflüsse
bund-Halbzeugen bis hin zur prototypischen Fertigung. Dies
Fokus. Zur Charakterisierung des mechanischen Verhaltens
diesem Umfeld beschäftigt sich das Geschäftsfeld Polymer-
IAP in Potsdam-Golm und des Fraunhofer-Instituts für
schaften für innovative Anwendungen. Insbesondere steht die
auf die resultierenden Werkstoff- und Halbzeugeigenschaften.
beinhaltet u.a. die beanspruchungs- und fertigungsgerechte
sowohl unter einsatz- als auch prozessbedingten Belastungen
anwendungen einerseits mit Fragestellungen der virtuellen
Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in
Weiterentwicklung thermoplastisch verarbeitbarer, super-
Die Umsetzung prozesstechnischer Aufgabestellungen erfolgt
Auslegung von endlosfaserverstärkten Leichtbaustrukturen so-
wenden wir experimentelle und numerische Methoden an
Prozessketten in Materialdesign, Prozesstechnologien und
Halle. Das PAZ bündelt die Kompetenzen beider Institute
elastischer Polymere, nanostrukturierter Copolymere sowie mit
vom Labormaßstab bis in den Pilotmaßstab. Eine flexible und
wie die Bauteilherstellung mittels effizienter Fertigungs-
und passen diese an die speziellen Erfordernisse von Faser-
Bauteileigenschaften und andererseits mit der prototypischen
für komplexe Aufgabenstellungen entlang der gesamten
nanoskaligen Füllstoffen modifizierter Elastomer- und Thermo-
schnelle Überführbarkeit von Entwicklungsergebnissen in die
konzepte und angepasster Prozesstechnik. Der komplette Ent-
verbundwerkstoffen an. Ein Schwerpunkt der Arbeiten ist die
Validierung der Ergebnisse. Besonderes Augenmerk liegt auf
Wertschöpfungskette der Kunststoffe.
plastsysteme im Vordergrund. Der Fokus liegt dabei auf der Un-
industrielle Anwendung steht im Fokus.
wicklungsprozess wird dabei virtuell durch Prozess- und Struk-
Bewertung von Fertigungsfehlern und Schädigungen (z.B. De-
dem Zusammenhang zwischen Verarbeitungs-/ Struktur- und
Die Gruppen »Thermoplastbasierte Faserverbund-Halb-
tersuchung der Zusammenhänge zwischen molekularer Struk-
Beispiele hierfür sind material- und verfahrenstechnische
tursimulationen unterstützt. Die betrachteten Materialien er-
laminationen) mit bruchmechanischen Methoden. Für die mor-
Struktur-/Eigenschaftsbeziehung – die Gebrauchseigen-
zeuge « und »Hochleistungsthermoplaste« bilden den
tur, Morphologie und mechanischen Eigenschaften polymerer
Entwicklungen für unidirektional endlosfaserverstärkte Tapes.
strecken sich von unverstärkten oder modifizierten Thermo-
phologische Charakterisierung werden u.a. zerstörungsfreie
schaften werden quasi in situ erzeugt. Unsere Material- und
Bereich Kunststoffverarbeitung des Pilotanlagenzentrums.
Materialien.
plasten bzw. Blends bis hin zu thermoplastischen Hybridver-
Prüfmethoden und Mikrostrukturdiagnostik eingesetzt.
Technologiekompetenzen liegen im Bereich der Elastomer-
Von der Halbzeugentwicklung anwendungsspezifischer,
compounds, der thermoplastischen Polymere und der faser-
faserverstärkter Composite bis hin zur Bauteilentwicklung
verstärkten Hochleistungsverbundmaterialien.
und -auslegung lang- und endlosfaserverstärkter
bunden mit Endlosfaserverstärkung und Metallkomponenten.
Spritzgussteile wird die Prozesskette im Pilotmaßstab
Wir bieten Forschungsarbeiten und Kooperationen über die
industriekompatibel abgebildet.
Leistungen
Leistungen
Leistungen
Leistungen
Ermittlung des Einflusses von Prozessparametern auf die
Auslegung und Optimierung hochbelasteter Faser-
komplette Entwicklungskette vom Materialdesign bis zum geprüften prototypischen Bauteil. Das Geschäftsfeld bedient
Entwicklung von Materialkonzepten zur Optimierung
Kunden im Umfeld der Mobilitätsanwendungen – Automobil,
INBETRIEBNAHME EINER ANLAGE
der mechanischen Eigenschaften von Copolymeren und
Flugzeug, Schienenfahrzeug – mit Lösungen zur Erhöhung der
ZUR HERSTELLUNG VON UD-TAPES
Nanokompositen
Energie- und Ressourceneffizienz.
Compoundierung und Verarbeitung von Copolymeren
Eine industriekompatible Anlage zur Herstellung unidirektional faserverstärkter Thermoplast-Tapes mittels
Schmelzeimprägnierung wurde installiert. Die Anlage steht
zur Unterstützung der Kunden des Fraunhofer PAZ hinsichtlich Material- und Halbzeugentwicklung sowie zur Bemuste-
mit Zuschlag- und Füllstoffen vom Labor- bis hin zum
Technikumsmaßstab
Schmelzrheologie und dynamisch - mechanische Untersuchungen
Strukturuntersuchungen an Copolymeren und Nanokom-
Entwicklung faserverstärkter Halbzeuge mit Kurz-, Langund Endlosfaserverstärkung
Einsatz verschiedener Faserarten und -typen (synthetische
und Naturfasern)
Prozessentwicklung und -optimierung in den kontinuierlichen thermoplastischen Verarbeitungsverfahren
UD-Tape-Entwicklung mit Endlos- und Langfasern
und thermoplastischen Blends mittels Injection Molding
Compounding (IMC)
positen (nanoskalige Morphologie, kristalline Struktur,
Scale up von Verarbeitungsprozessen
Füllstoffdispergierung und -verteilung)
Optimierung von Compoundierprozessen auf Doppel-
Mechanische Werkstoffcharakterisierung (dynamischmechanisch-thermische und quasistatische Beanspruchung,
Bruchmechanik, Risskinetik, Dehnungsfeldanalyse) und
Korrelation mit der Morphologie, um Materialeigenschaften gezielt beeinflussen zu können
im Spritzgussprozess
Direktverarbeitung von Langfaser-Thermoplasten (D-LFT)
Compoundierung faserverstärkter Thermoplaste
können Tapebreiten von 500 mm und enorme Prozessund Konfiguration ist die Anlage weltweit einzigartig.
Prozesstechnik
Bemusterungen von Prototypen- und Serienwerkzeugen
Extrusion von Halbzeugen wie Hohlkammerprofilen
rung von Pilotmengen zur Verfügung. Realisiert werden
geschwindigkeiten bis zu 15 m/min. In dieser Dimension
resultierenden Eigenschaften im Bauteil
Entwicklung und Optimierung von Prozessen und
schneckenextrudern
Entwicklung und Herstellung prototypischer
Komponenten für eine Markteinführung
Herstellung von endlosfaserverstärkten thermoplastischen
Leichtbaustrukturen im Hybrid-Spritzgussprozess
Beanspruchungs- sowie fertigungsgerechte Entwicklung
und Gestaltung von Kunststoff- und Faserverbundbauteilen
Computerunterstützte Strukturauslegung und
Prozesssimulation
verbundstrukturen- und bauteilen durch numerische
Simulation
Ermittlung mechanischer und physikalischer Materialkennwerte von Faserverbundwerkstoffen und SandwichKernmaterialien
Entwicklung und Durchführung von Struktur- und Bauteiltests (z.B. Sandwichschalen)
Zerstörungsfreie Werkstoff- und Bauteilprüfung
Bewertung der Schadenstoleranz von Faserverbundwerkstoffen und -strukturen mit bruchmechanischen
Methoden (u.a. für Lebensdauervorhersage geschädigter
Strukturen)
Mesostruktur- und mechanismenbasierte Simulationsmethoden für die Analyse von Struktur-EigenschaftsKorrelationen (z.B. RVE-Modellierung)
Analyse der Lebensdauer und des Alterungsverhaltens
(z.B. unter Umgebungseinflüssen)

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