Ziel der Entwicklung
In der Serienfertigung und zur Sicherstellung einer gleichbleibenden Qualität gewinnen automatisierte Fertigungsverfahren, wie das Automated-Tape-Laying und das Tape-Winding-Verfahren im Bereich der Faserverbundwerkstoffe, immer mehr an Bedeutung. Für solche Verfahren eignen sich Tape-Halbzeuge wie Prepregs, Towpregs oder Slit-Tapes. Die am Markt erhältlichen Halbzeuge erfüllen dabei die hohen Anforderungen nicht oder nur teilweise. Insbesondere die Forderung nach geringen geometrischen Toleranzen des Halbzeuges wird bei den vorhandenen Produkten nur unzureichend gewährleistet.
Auf dieser Basis wurde im Rahmen des Projektvorhabens eine Direkttechnologie zur Herstellung faserverstärkter thermoplastischer Tapes entwickelt, die im Extrusionsverfahren die Erzeugung thermoplastischer Fasertapes (25 Millimeter Breite) ohne einen zusätzlichen Zuschnitt ermöglicht. Der Schwerpunkt des Vorhabens lag dabei in der Entwicklung und der anlagentechnischen Umsetzung eines Imprägnier- und Kalibrierwerkzeuges. Die neu entwickelten Module wurden in eine Extrusionslinie integriert und in Betrieb genommen. Nach umfangreichen Prozess- und Materialversuchen konnten erfolgreich erste Mustermaterialien hergestellt werden. Die geforderten Toleranzen (maximal 0,05 Millimeter Breite und Dicke des Tapes) und die geforderten mechanischen Eigenschaften konnten nach der Untersuchung der Mustermaterialien eingehalten werden.
Vorteile und Lösungen
Entwicklungsschritte:
Zunächst wurden verschiedene Konzepte zur anlagentechnischen Realisierung der definierten Anforderungen erarbeitet und daraus eine Vorzugsvariante ausgewählt. Auf Basis der Vorzugsvariante wurde der konstruktive Entwicklungsprozess durchgeführt. Die neuen Module wurden montiert und in eine bestehende Extrusionslinie integriert. In umfangreichen Versuchsdurchführungen konnten die optimalen Verarbeitungsparameter für verschiedene Materialkombinationen ermittelt werden.
Prozessablauf:
Trockene Endlos-Verstärkungsfasern werden auf die geforderte Breite aufgespreizt und laufen in das neu entwickelte geschlossene Imprägnierwerkzeug ein. Mittels Extruder wird thermoplastische Schmelze bereitgestellt und in das Imprägnierwerkzeug eingeleitet. Im Imprägnierwerkzeug werden die gespreizten Fasern mit thermoplastischer Schmelze imprägniert. Die spezielle Geometrie im Werkzeuginnern sorgt für die Erhaltung des Spreizzustandes und eine optimale Polymerbenetzung der Verstärkungsfasern. Das mit thermoplastischer Schmelze benetzte Faserband wird aus dem Imprägnierwerkzeug geleitet und dem nachgelagerten, speziell hierfür entwickelten, Kalibrierprozess zugeführt. Der Kalibrierprozess besteht aus einem Nachform- und einem Nachpräge-Werkzeug und gewährleistet die geforderte Maßhaltigkeit des entstandenen Tape-Produkts.
Mit Hilfe der neu entwickelten Anlagentechnik konnte die geforderte Maßhaltigkeit des Tapequerschnitts erreicht werden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die neu entwickelte Technologie zur Herstellung faserverstärkter thermoplastischer Tapes ist für verschiedene Zielgruppen lukrativ. Die Tapes eignen sich vor allem für die Umsetzung hochbelasteter Strukturbauteile in der Automobilindustrie, der Luftfahrtindustrie, dem Sportgerätebau und der Medizintechnik. Hinzu kommen die Zulieferer der genannten Industriezweige. Mit Hilfe der Tapes lassen sich im Tapelege- und Tapewickelverfahren hochbelastbare Strukturbauteile mit belastungsgerechtem Lagenaufbau generierten. Auf diese Weise kann das volle Werkstoffpotenzial und der Leichtbaugedanke optimal ausgenutzt werden.
Explizit eignet sich die neuartige Technologie für konventionelle Hersteller von faserverstärkten Tapes im Extrusionsverfahren. Mit Hilfe der Direktextrusion können sie die Qualität ihrer Tapes hinsichtlich der Maßhaltigkeit steigern und somit neue Anwender gewinnen. Durch den Wegfall des Schneidprozesses, können die Kosten für die stark verschleißbehafteten Schneidwerkzeuge eingespart werden.
Auch für Hersteller von Kunststoff-Extrusions-Produkten (beispielsweise Folienhersteller) ist dies eine vielversprechende Technologie zur Erweiterung des Produktportfolios. Hierbei ist lediglich eine Qualifizierung des Personals hinsichtlich der textilen Verarbeitung technischer Hochleistungs¬fasern nötig.
Das Cetex Institut verfügt durch die langjährige Forschung und Entwicklung im Bereich der faserverstärkten Kunststoffe über ein großes Netzwerk potenzieller Anwender der neuartigen Technologie. Insbesondere Faserhersteller und erfahrene Anwender der Extrusionstechnik werden hierbei als vielversprechendste Anwender gesehen.
Zur Akquise neuer potenzieller Nutzer der Technologie sind bereits eine Reihe von Maßnahmen geplant:
Präsentation der Projektergebnisse auf nationalen und internationalen Fachmessen und Fachausstellungen; Veröffentlichung der Ergebnisse durch Fachvorträge; Erstellung von Marketingmaterial (Infobroschüren, Flyer); Erweiterung der bestehenden und Aufbau neuer Geschäftskontakte.
Für die Umsetzung des Technologietransfers steht das Cetex Institut zur Verfügung. Dies betrifft vor allem vorbereitende Materialversuche sowie kundenspezifische technologische Adaptionen der Anlagentechnik. Hieraus ergeben sich stets auch neue Forschungs- und Entwicklungs¬ansätze zur Erweiterung der Verfahrenstechnik und der Nachfolgeprozesse.
Die erwarteten Umsätze des Cetex Instituts basieren auf Dienstleistungen und Forschungsaufträgen für Versuchsdurchführungen. Seitens der Dienstleistungen sind hier vor allem Materialcharakterisierungen und Anpassungskonstruktionen zu nennen. Darüber hinaus ist die Erprobung neuer Materialien und Materialkombinationen mit umfangreichen Versuchsdurchführungen verbunden.
