Das Projekt

Aufgabenstellung

Die Herstellung faserverstärkter Kunststoffe ist bislang mit einem enormen Energiebedarf verbunden. Qualitativ hochwertige Bauteile aus Cabonfaser-verstärkten Kunststoffen (CFK) werden in der Regel in beheizten Hochdruckkammern (Autoklaven) in einem Formwerkzeug ausgehärtet. Dabei wird die für die Aushärtung erforderliche Erwärmung der Bauteile durch Luftkonvektion erreicht, wobei prozessbedingt große Massen, wie die Formschale, Anlagevorrichtungen, Wandung, Ventilatoren etc., zwangsweise miterwärmt und -abgekühlt werden müssen. Um die Produktion von CFK-Bauteilen energieeffizienter und kostengünstiger gestalten zu können, müssen innovative Lösungen daher beim direkten Wärmeeintrag beim Aushärteprozess ansetzen.

Ziele und Vorgehen

Im Fokus des Forschungs- und Entwicklungsprojekts KarboWerk steht zunächst die Entwicklung eines neuartigen Temperierungssystems. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass die zur Aushärtung von Faserverbundmaterialien notwendige Wärme direkt am Bauteil erzeugt wird. Auf diese Weise wird die eingesetzte Energie genau und nur dort genutzt, wo sie benötigt wird, nämlich im Bauteil. Dass dies gegenüber der herkömmlichen Erwärmung im Autoklaven eine effiziente Alternative darstellt, liegt auf der Hand. Das neue Heizsystem soll als Zusatz-Modul für Formwerkzeuge segmentiert, autonom und automatisiert herstellbar sein. Damit kann das Heizsystem nicht nur in neuen Werkzeugen, sondern auch zur Nachrüstung vorhandener Werkzeuge eingesetzt werden.

Beispielhafte Darstellung eines Werkzeugs mit 3D-Temperierungssystem; Das Heizsystem sollte als Add-On-Modul sowohl an das Werkzeug als auch in Deckbereiche der Aushärtungsvorrichtung integriert werden.

Nachdem das Temperierungssystem auf Basis einer mit elektrisch leitfähigen Kohlenstoff-Nanopartikeln durchsetzten Heizschicht entwickelt ist, erfolgt die Untersuchung des automatisierten Beschichtungsprozesses für die Herstellung der Formschalen. Grundlage hierfür ist das Verfahren des Thermischen Spritzens, für das eine Steuerung entwickelt wird, die eine automatisierte 3D-Beschichtung auf die Formschalenkontur ermöglicht.

Schematische Darstellung eines konturangepassten 3D-Temperierungssystems mit komplexer Geometrie. Beispielhafter Sandwichaufbau mit parallelem Stromfluss senkrecht zur Oberfläche.

Um die energetischen und prozesstechnischen Vorteile, die sich durch den Einsatz der neu entwickelten konturnah beheizten Formschalen für die Produktion von CFK-Bauteilen ergeben, zu ermitteln, werden Referenzbauteile auf einer automatisierten Pilotanwendung hergestellt. Dabei werden unterschiedliche Prozessvarianten untersucht.

Begleitende numerische Berechnungen liefern schon frühzeitig Ergebnisse zur Energieeffizienz der Prozessvarianten und zur Optimierung der Prozesssteuerung.

Ergebnisse

Die zu erwartenden Ergebnisse des Verbundvorhabens schaffen die Basis für die industrielle Umsetzung eines neuartigen Verfahrens zur endkonturnahen Herstellung oder Umrüstung von Formen oder Formschalen mit integrierter Heizung, mit denen sich eine hohe Energieeffizienz und deutliche prozesstechnische Vorteile (geringere Aushärtungszeiten) bei der Herstellung von CFK-Bauteilen realisieren lassen.

Anwendungspotential

Für den Einsatz des 3D-Werkzeugtemperierungssystems und die damit ermöglichte neuartige Formenherstellung wird aufgrund der hohen Vorteile hinsichtlich Energieeffizienz sowie Zeit- und Kosteneinsparungen bei der Produktion von CFK-Formteilen eine hohe und wachsende weltweite Marktrelevanz gesehen.