Ziel der Entwicklung

Für den wachsenden Einsatz von Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK), hauptsächlich im Automobilbau, ist es erforderlich, automatisierte Fertigungsmöglichkeiten zu schaffen. Das ist mit den zur Zeit üblichen Prepreg-Legerobotern sehr kostenaufwändig und unproduktiv. Mit trockenen Gelegen und der Weiterentwicklung der Preform-Technologie verbessern sich die Möglichkeiten für hochproduktive Automatisierungslösungen.
Betrachtet man die Veröffentlichungen zum mittelfristigen Verbrauch an Carbonfasern wird mit einer Verfünffachung bis zum Jahr 2020 gerechnet. Werden im Jahr 2012 zirka 40.000 Tonnen verarbeitet, steigt dieser Wert bis zum Jahr 2020 auf cirka 200.000 Tonnen. Besonders bemerkenswert ist die Prognose für den Fahrzeugbau. Hier wird in diesem Zeitraum mit einem Anstieg von 4.000 Tonnen auf zirka 85.000 Tonnen gerechnet. Diesen positiven Zahlen stehen die Bauteilkosten beim Einsatz von Stahl mit fünf Euro pro Kilogramm, von Aluminium mit zehn Euro pro Kilogramm und Kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) mit 100 Euro pro Kilogramm gegenüber. Aus dieser Kostendifferenz lässt sich der erforderliche Handlungsbedarf für den verstärkten Einsatz dieser für den Leichtbau und der damit verbundenen Energieeinsparung bestens geeigneten CFK-Halbzeuge ableiten. Durch verbesserte Verfahren und Minimierung des Abfalls müssen die Kosten verringert werden. Deshalb wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens versucht, ein Verfahren zu entwickeln, das bei hoher Qualität die Herstellungszeiten der CFK-Halbzeuge verringert. Damit wird ein Beitrag geleistet, die Kosten für den Anwender zu senken.
Ziel des Vorhabens ist die Erarbeitung von Grundlagen zur Herstellung von unidirektionalen trockenen Carbon-Faserbändern mit verbesserten Verharzungseigenschaften. Das Forschungsvorhaben kann auf die Ergebnisse eines vorangegangenen Projektes aufbauen, das ebenfalls von der EURONORM GmbH als Projektträger begleitet wurde. In diesem ist eine Anlage entwickelt worden, auf der es möglich ist, unidirektionale Carbon-Faserbänder mit folgenden Eigenschaften herzustellen: Arbeitsbreite (Gesamtbreite) des Faserbandes bis maximal 600 Millimeter / Verarbeitung von Carbon-Rovings unterschiedlicher Hersteller von 12 bis 50 Kilo (zum Beispiel die Firmen TORAY, TOHO TENAX, SGL) / gewünschte Flächengewichte des Faserbandes bis kleiner 75 g/m / annähernd gleiche Wickellängen der Einzelbändchen im Endprodukt / Zusammenhalt der Rovings ohne zusätzliche Maßnahmen zur Bildung einer Querkohäsion. Für die Weiterverarbeitung der oben genannten trockenen UD-Bänder zu Faserverbundbauteilen ist die Injektion von Harz aufgrund der dichten und homogenen Bandstruktur sehr schwierig zu realisieren. Es sollen deshalb im Projektzeitraum Lösungen erarbeitet werden, die es ermöglichen, ein Faserband mit den bereits genannten Qualitätsparametern herzustellen und zusätzlich die verbesserte Weiterverarbeitung zu Composites durch bessere Aufnahme des Harz- (beziehungsweise Matrixmaterial-) anteils zu gewährleisten.
Folgende Zielvorgaben sind zu beachten: Die Produktivität der UD-Anlage soll nicht reduziert werden; gezielt eingebrachte Verharzungsöffnungen im Verarbeitungsprozess; variable Anordnung der Verharzungsöffnungen; Breite der öffnungen bis einem Millimeter; Länge der öffnungen variabel; Keine Filamentschädigungen durch Kalibrierelemente.

Vorteile und Lösungen

Der Hauptanwendungsbereich zur wirtschaftlichen Verwertung der Forschungsergebnisse wird in der Automobilindustrie gesehen. Bedingt durch angestrebte hohe Stückzahlen wird hier besonderer Wert auf niedrige Taktzeiten gelegt (zum Beispiel BMW i3 - angestrebte Stückzahlen größer als 30.000 pro Jahr). Da die Zeit zum Durchtränken der Fasern mit Harz einen wesentlichen Anteil an der Taktzeit darstellt, könnte mit der Nutzung der Ergebnisse des vorliegenden Forschungsvorhabens dieser Anteil reduziert und somit ein Beitrag geleistet werden zur Reduzierung der Gesamtkosten. Dieser Aspekt dürfte auch bei weiteren Anwendern von Carbonfasern, wie Flugzeugbau, Windkraftindustrie, Sportartikelhersteller und anderen Sparten des Fahrzeugbaus, wie Schienenfahrzeuge, Schifffahrt und ähnliches von Interesse sein.

Zielgruppe und Zielmarkt

Als Ergebnis der Forschungsarbeiten sind zwei bevorzugte Lösungsvarianten entstanden. Beide haben Vor- und Nachteile.
Eine Lösung, das „Fixieren mit beheizten Formelementen“ hat den großen Vorteil, dass sie ohne jegliche Zusatzstoffe auskommt. Der technische Aufwand zur Umsetzung der Lösung ist überschaubar. Es wird eingeschätzt, dass die Produktivität der vorhandenen Faserspreizanlage durch eine zusätzliche Baugruppe nicht negativ beeinflusst wird. Allerdings ist dieses Prinzip nur für bestimmte auf dem Markt verfügbare Carbonmaterialien mit thermisch beeinflussbarer Schlichte geeignet. Dieser Nachteil könnte ausgeglichen werden, indem man das UD-Band mit einem Zusatzmaterial in Pulverform versieht.
Ein „Vernähen“ des UD-Carbonbandes bietet den Vorteil, dass auf eine in der Praxis umgesetzte Technologie zurückgegriffen werden kann (vernähte multiaxiale Gelege), für die es bei unterschiedlichen Anwendern eine Vielzahl von Erkenntnissen und Erfahrungswerten gibt. Es ist mit dieser Variante eine definierte und reproduzierbare Ausbildung der Durchtränkungskanäle in einem relativ breiten Bereich möglich. Vorteilhaft ist weiterhin, dass jedes verfügbare Carbonmaterial auf diese Weise verarbeitet werden kann.
Die Produktivität einer Faserspreizanlage wird dabei auf die Nähgeschwindigkeit reduziert und es ist Zusatzmaterial in Form von Nähfäden im Produkt vorhanden.
Es ist vorgesehen, beide oben genannte Lösungen in einem weitergehenden Forschungsthema näher zu untersuchen und mit einer vorhandenen Faserspreizanlage zu testen.