Im Rahmen des durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekts TheSaLab erforscht das IFW einen innovativen Fertigungsprozess zur Herstellung von thermoplastischen Sandwichstrukturen. Im Rahmen des Projekts konnten grundlegende Kenntnisse über Prozessparameter und deren Einfluss auf die Anbindungsfestigkeit von Decklagen und Schaumkern bei der Herstellung von Sandwichstrukturen mittels laserbasiertem Automated Fiber Placement (LAFP) gewonnen werden. Diese Kenntnisse sollen zukünftig genutzt werden, um hochfeste sowie individuell gekrümmte thermoplastische Sandwichstrukturen mit dem neuen Fertigungsprozess herstellen zu können.
Strukturen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) bieten aufgrund der hohen spezifischen Festigkeiten ein enormes Leichtbaupotential, um die Mobilität der Zukunft nachhaltig zu gestalten. Insbesondere der Einsatz und die Verarbeitung von thermoplastischen Materialien hat gegenüber konventionellen duroplastischen Werkstoffen große Vorteile im Hinblick auf ihre Recyclingfähigkeit und Schweißbarkeit. Zudem kann der zeit- und energieaufwändige Autoklavprozess eingespart werden.
Ein besonders gutes Verhältnis von mechanischen Eigenschaften und Gewicht weisen Sandwichstrukturen auf. Diese bestehen aus zwei außenliegenden faserverstärkten Deckschichten und einem innenliegenden leichten Kern. Die Herstellung von solchen thermoplastischen Sandwichstrukturen ist aktuell auf ebene Bauteile beschränkt. Nur vereinzelt finden sich Ansätze zur Herstellung von individuell gekrümmten thermoplastischen Sandwichstrukturen, allerdings sind diese mit dem Einsatz von hochkomplexen Formwerkzeugen sowie einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Fertigungsschritten verbunden. Zudem sind diese auf eine einzige festzulegende Form begrenzt.
Um zukünftig die ökonomische und flexible Herstellung von individuell gekrümmten thermoplastischen Sandwichstrukturen umsetzen zu können, erforscht das IFW im Projekt TheSaLab einen neuen Fertigungsprozess, bei dem Sandwichdecklagen additiv mit Hilfe des LAFP auf einen Schaumkern aufgebracht und in-situ miteinander verbunden werden. Der Schaumkern dient hierbei neben der Aufnahme von Lasten im späteren Einsatz der Sandwichstruktur auch als formgebendes Element schon während der Herstellung. So können kostenintensive Formwerkzeuge eingespart werden.
In experimentellen Studien konnte gezeigt werden, dass die Wahl geeigneter Prozessparameter, wie beispielsweise Laserleistung oder Ablagegeschwindigkeit, entscheidend für die spätere Anbindungsfestigkeit der additiv aufgebauten Decklagen mit dem Schaumkern ist. Während eine zu geringe Temperatur in der Fügegrenzschicht bei der Erstablage beispielsweise zu einer unzureichenden kohäsiven Anbindung zwischen den beiden Fügepartnern führt, bewirkt eine höhere Temperatur eine hochfeste kohäsive Anbindung. Es kommt in diesem Fall aufgrund der erhöhten thermomechanischen Belastung in der Fügegrenzschicht allerdings zu einem übermäßigen Kollabieren der Schaumstruktur und einer damit verbundenen Abweichung der Sandwichsollgeometrie.
Im Rahmen von weiteren Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass die auf dem Sandwichkern mittels LAFP aufgebrachten Decklagen hohe interlaminare Scherfestigkeiten aufweisen und somit vergleichbar sind mit konventionellen, mit dem LAFP hergestellten thermoplastischen Faserverbundlaminaten.
Im weiteren Projektverlauf werden die bereits gewonnenen Erkenntnisse in ein allgemeingültiges Prozessmodell überführt, das die Auswahl geeigneter Prozessparameter in Abhängigkeit von vorgegebenen Sandwichfestigkeiten und -geometrien ermöglichen soll.Christopher Schmitt
Kontakt
Christopher Schmitt, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen,
E-Mail: schmitt@ifw.uni-hannover.de
- www.ifw.uni-hannover.de
Text zum Titelbild: Leicht und trotzdem hochfest – Eine mit dem laserbasierten Automated Fiber Placement gefertigte thermoplastische Sandwichstruktur (Bild: Leibniz Universität Hannover)
