Composites Manufacturing

In den letzten vier Jahrzehnten hat sich die Nutzung von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) in technischen Strukturen stetig diversifiziert, von Sportgeräten und Hochleistungsrennwagen bis hin zu Hubschraubern und zuletzt Verkehrsflugzeugen. Verbundwerkstoffe sind im Wesentlichen eine Kombination von zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien, die zusammen verwendet werden, um die besten Eigenschaften zu kombinieren oder einen neuen Satz von Eigenschaften zu verleihen, die keines der konstituierenden Materialien alleine erreichen könnte. Technische Verbundwerkstoffe werden typischerweise aus einzelnen Lagen aufgebaut, die die Form von kontinuierlichen, geraden Fasern (z. kohlenstoff, Glas, aramid etc.) eingebettet in eine Wirtspolymermatrix (z.B. phenolisch, Polyester, Epoxid usw.), die Schicht für Schicht laminiert werden, um das endgültige Material / die endgültige Struktur aufzubauen.

Bei der Herstellung fortschrittlicher Faserverbundwerkstoffe ist der wichtigste Aspekt zu erkennen, dass Material und Struktur gleichzeitig entstehen. Folglich beeinflussen etwaige Defekte, die während des Herstellungsprozesses induziert werden, direkt die Festigkeit und Steifigkeit des Materials und der Struktur. Jedes kleine Detail ist wichtig.

In den letzten 40 Jahren wurde eine Vielzahl von Herstellungsverfahren für Verbundwerkstoffe entwickelt, darunter: kontaktformen, Formpressen, Vakuumbeutel- / Autoklavenformen, Rotationsformen, Resin Transfer Moulding (RTM), Bandumhüllung, Filamentwicklung, Pultrusion, Expandierblasenformen usw. Alle diese Verfahren haben mehrere Eigenschaften gemeinsam: Die Verstärkungen werden in einem Werkzeug oder einer Form in die gewünschte Form gebracht, Harz und Fasern werden gegebenenfalls unter erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck zusammengebracht, um das Harz auszuhärten, und das Formteil wird nach dem Aushärten des Harzes vom Teil abgestreift. Die verschiedenen Herstellungstechniken können entweder als direkte Prozesse klassifiziert werden (z. RTM, Pultrusion, Kontaktformen), die getrennte Fasern und Harz verwenden, die an der Stelle des Formens zusammengebracht werden, oder indirekte Prozesse, die Fasern verwenden, die mit Harz vorimprägniert sind (z. b. Vakuumbeutel/Autoklavenformen, Formpressen).

Die Auswahl des Herstellungsprozesses hat natürlich einen großen Einfluss auf die Qualität, die mechanischen Eigenschaften und die Herstellungskosten des Bauteils. Nach Potter (1996) kann ein idealer Prozess definiert werden als:

1. Hohe Produktivität – kurze Zykluszeiten, geringer Arbeitsaufwand etc.
2. Minimale Materialkosten – Materialien mit geringer Wertschöpfung, niedrige Materiallagerungs– und Handhabungskosten
3. Maximale geometrische Flexibilität – Formkomplexität und Größe der Komponente
4. Maximale Eigenschaftsflexibilität – Auswahl an Matrizen, Auswahl an Verstärkungstypen, Möglichkeit zur Steuerung mechanischer Eigenschaften und Schneidereigenschaften
5. Mindestanforderungen an die Endbearbeitung – Nettoformherstellung
6. Zuverlässige und qualitativ hochwertige Herstellung – niedrige Ausschussraten, geringe Variabilität etc.

Es gibt kein Herstellungsverfahren, das alle diese Anforderungen gleichzeitig erfüllen kann; am wichtigsten ist, dass sich einige dieser Anforderungen gegenseitig ausschließen können. Ein Vergleich der 5 häufigsten Prozesse ist unten dargestellt.

Vergleich von Composite-Fertigungstechniken (1)

Kontakt Moulding

Kontakt Moulding Schematic (1)

Dies ist das älteste und primitivste Herstellungsverfahren, aber auch das weltweit am weitesten verbreitete. In Kontaktformharz wird manuell auf eine trockene Bewehrung aufgetragen, die auf eine Werkzeugoberfläche gelegt wird, und kann mit dem Kleben von Tapeten mit einem Pinsel verglichen werden. Werkzeug und Gewebe werden dann von einem Vakuumbeutel umschlossen und die Luft unter dem Beutel entfernt, um das Laminat unter Atmosphärendruck auszuhärten. Da der aufgebrachte Druck jedoch relativ gering ist und die Aushärtung typischerweise bei Raumtemperatur erfolgt, ist der Volumenanteil der Verstärkung auf die natürliche Packungsdichte beschränkt. Darüber hinaus hängt die Qualität vollständig von der Qualifikation der Mitarbeiter ab, und aufgrund der Schwierigkeit, qualitativ hochwertige Laminate zuverlässig zu gewährleisten, ist es fast unmöglich, kontaktgeformte Strukturkomponenten für Verkehrsflugzeuge zu qualifizieren. Schließlich ist aufgrund des begrenzten Außendrucks der Hohlraum schwer zu kontrollieren, was sich stark auf die Variabilität der Dicke von Laminaten auswirkt.

HMS Wilton Kunststoffverstärktes Schiff (2)

Andererseits ist der Prozess hochflexibel, ideal für die Einzelfertigung und erfordert nur minimale Infrastruktur. Während das Kontaktformen das Verfahren der Wahl für sehr große Strukturen ist, ist die geometrische Flexibilität in Bezug auf die Herstellung von Teilen mit feinen Details, Eckradien usw. eingeschränkter. Aus diesem Grund wird das Verfahren in großem Umfang im Glasfaser- /Polyesterharz-Schiffbau und für Segelflugzeuge eingesetzt.

Vac. Beutel / Autoklav

Prepreg Layup für Autoklavhärtung (1)

In fortgeschrittenen Verbundwerkstoffen sind Autoklavenprozesse bei weitem die am weitesten verbreiteten und Autoklavenformen ist das Verfahren der Wahl für die Luft- und Raumfahrtindustrie. Diese Verfahren verwenden vorimprägnierte unidirektionale Lagen oder gewebte Tücher, die teilweise ausgehärtet oder beta-gehärtet wurden. Nachteilig ist, dass Pre-Preg in einem Gefrierschrank aufbewahrt werden muss, um ein Ablaufen des Harzes zu verhindern. Mehrere Prepreg-Lagen werden mit den vordefinierten Faserorientierungen auf eine Werkzeugoberfläche gelegt, um die erforderliche Dicke aufzubauen, und dann mit einer Trennfolie, einem Entlüftungsgewebe und einem Vakuumbeutel oder Silikondruckbeutel bedeckt. Die Luft wird aus dem Beutel herausgezogen, um ein Vakuum zu erzeugen, und das Werkzeug wird unter erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck erhitzt, um das Harz auszuhärten. Grundsätzlich werden mehrere Entformungszyklen durchgeführt, indem das Laminat abgedeckt wird und nach jeweils 3-4 Lagen ein Vakuum angelegt wird, um überschüssige Luft zwischen den Schichten zu entfernen. Dies reduziert den Volumenfaktor und hilft, Delaminationen zwischen den Lagen zu verhindern und steuert das Dickenmaß. Regelmäßige Entformungszyklen und ausreichender hydrostatischer Druck auf das Bauteil während der Aushärtung sind die beiden Grundvoraussetzungen, um gute Formteile zu erzielen. Die Produktivität des Autoklavenformens ist im Allgemeinen recht gering, da die manuellen Auflege-, Absackungs- und Entformungszyklen erheblichen Arbeits- und Zeitaufwand erfordern. Darüber hinaus sind die Investitionen von Autoklaven enorm, was ihre Verwendung auf größere Strukturen beschränkt, bei denen diese Ausgaben gerechtfertigt sind. Da sich Pre-Preg nicht mehr in einem niedrigwertigen Zustand befindet, sind auch die Materialkosten höher.

Wabensandwich mit Pre-Preg für Autoklavhärtung (1)

Die geometrische Flexibilität in Form und Größe ist besser als bei den meisten Prozessen. In jüngster Zeit ist es möglich, den gesamten Boden eines Hubschraubers in einem Stück herzustellen, was mit einem metallischen Ansatz nicht möglich wäre. Autoklavenformteile werden häufig in Verbindung mit Wabenkernen eingesetzt, so dass sehr leichte Bauteile hergestellt werden können. Dies ist einer der Gründe, warum die Dominanz von Autoklavenformteilen zumindest in der Luft- und Raumfahrt in naher Zukunft sehr wahrscheinlich anhalten wird.

Fadenwicklung

Schematische Darstellung des Filamentwickelprozesses (1)

Beim Filamentwickeln wird ein Faserband durch ein Harzbad geführt und auf einen umlaufenden Dorn gewickelt, indem es längs der Achse des rotierenden Dorns verläuft. Sofern keine klebrigen, vorimprägnierten Faserzüge verwendet werden, muss der vom Kabel verfolgte Pfad genau einem geodätischen Pfad folgen (Faserpfade, die beim Spannen kein Verrutschen der Fasern verursachen). Jeder einfache spiralförmige Pfad auf einem Zylinder wird als geodätischer Pfad definiert, aber sobald eine Krümmung in zwei Richtungen eingeführt wird (z. B. ein Globus), wird die Anzahl der möglichen Pfade sehr begrenzt. Aus diesem Grund ist die Eigenschaftsflexibilität eher eingeschränkt, so dass Filamentwicklungen typischerweise zur Herstellung von Rohrleitungen, Druckbehältern und Elektromotoren verwendet werden. Insbesondere Druckbehälter sind förderlich für die Filamentwicklung, da sie zwei klar definierte Spannungsrichtungen (die Band- und Längsspannungen) aufweisen, die durch die Wickelrichtung aufgenommen werden können.

Ein Nachteil der Filamentwicklung besteht darin, dass der Dorn oft innerhalb der Wicklung eingeschlossen ist. Wenn ein Liner aus Metall oder Polymer als Dorn verwendet wird, kann er einen permanenten Teil der Struktur bilden, aber es ist üblicher, dass die Wicklung an den Enden aufgeschlitzt wird, um das Teil zu entformen. Die geometrische Flexibilität wird auch dadurch eingeschränkt, dass kreisförmige oder prismatische Formteile umwickelt werden müssen. Ein großer Vorteil ist, dass sich der Prozess automatisieren lässt, so dass Zykluszeiten und Arbeitskosten bei hoher Zuverlässigkeit und Qualität niedrig gehalten werden können. Dieser letztgenannte Aspekt ist einer der Gründe, warum Anstrengungen unternommen werden, um die geometrischen Grenzen und Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens zu erweitern.

Resin Transfer Moulding (RTM)

Schematische Darstellung des Resin Transfer Moulding-Prozesses (1)

RTM kann nicht als einzelner Prozess betrachtet werden, sondern wird besser als “Herstellungsphilosophie angesehen, bei der Harz und Fasern bis zum allerletzten Moment auseinandergehalten werden” (Potter, 1996). Allen Verfahrensvarianten ist jedoch gemein, dass nicht laminierte Fasern in einem geschlossenen Werkzeughohlraum gehalten werden, wobei ein Harzvorrat mit einem Differenzdruck beaufschlagt wird, so dass das Harz in die Bewehrung eindringt. Das Werkzeug kann starr sein oder flexible Elemente enthalten. Der Konsolidierungsdruck auf das Werkzeug wird mittels mechanischer Klemmen, einer Werkzeugpresse oder der Verwendung von internem Vakuum aufgebracht und definiert den erreichten Volumenanteil der Faser in Bezug auf Harz. RTM wird seit den 1970er Jahren zum Bau von Radomen sowie Verdichterschaufeln für Flugmotoren eingesetzt. Der Haupttreiber hinter der Weiterentwicklung von RTM-Prozessen ist die Entwicklung von Fertigungsmethoden, die die geometrischen Komplexitätsbeschränkungen von Autoklavenformteilen überwinden können. In Bezug auf die Produktivität sind die Zykluszeiten geringer als bei den meisten anderen Prozessen, und in der Automobilindustrie werden kleine Komponenten innerhalb von Minuten hergestellt.

Automobilpaneel hergestellt über RTM

Ein großer Vorteil von RTM ist die Verwendung von Materialien mit geringer Wertschöpfung (trockene Fasern und niedrigviskose Harze), die nicht in Gefrierschränken gelagert werden müssen, wodurch die Material- und Handhabungskosten gesenkt werden. Die Hauptvorteile von RTM liegen jedoch in ihrer geometrischen und Eigenschaftsflexibilität. RTM kann mit UD-genähten Tüchern, Geweben und 3D-Stoffen verwendet werden, und die Harzinjektion kann variiert werden, um den Volumenanteil und damit die Steifigkeit und Festigkeit des Bauteils zu steuern. Darüber hinaus werden kleine Bauteile mit sehr feinen Details auf starren Metallwerkzeugen hergestellt, während größere Bauteile auf flexiblen Formen hergestellt werden können. Schließlich ist es mit einem genau kontrollierten Prozess möglich, netzförmige Formteile mit minimalen Veredelungsanforderungen herzustellen. All dies geht jedoch zu Lasten einer etwas schwierigeren Produktionstechnik. Um qualitativ hochwertige Bauteile zu gewährleisten, müssen die Harzinjektion und der Harzfluss genau so gesteuert werden, dass die gesamte Bewehrung gleichmäßig benetzt wird. Dies erfordert recht fortschrittliche Strömungssimulationen und umfangreiche Tests, um eine Form zu erhalten, die einen gleichmäßigen Harzfluss zu allen Teilen des Bauteils ermöglicht.

Pultrusion

Schematische Darstellung des Pultrusionsprozesses (1)

Bei diesem Verfahren werden Fasern aus einem Gatterbrett gezogen und durch ein Harzbad geleitet, um die Fasern mit Harz zu imprägnieren. Die imprägnierten Fasern werden dann durch eine Vordüse geführt, um überschüssiges Harz zu entfernen und die ungefähre Endform vorzuformen. Dann wird die Aushärtedüse eingeführt, die die Form des endgültigen erforderlichen Querschnitts des Pultrusionsteils annimmt. Die Aushärtungsdüse bringt Wärme auf das Bauteil auf, um das Harz zu verfestigen, und das ausgehärtete, geformte Profil wird unter Spannung aus der Düse gezogen. Dies bedeutet, dass die Produktivität in einer laufenden Produktion sehr hoch sein kann, aber für niedrigere Produktionsvolumina, die Änderungen an neuen Querschnittswerkzeugen erfordern, sinken wird. Da der Betrieb automatisiert ist, sind die Arbeitskosten niedrig und die Zuverlässigkeit und Qualität der Komponenten ist hoch. Das Verfahren ist im Allgemeinen auf Komponenten mit konstantem Querschnitt beschränkt, was die Anwendungen stark einschränkt. Pultrusion ist sehr wenig in der Luftfahrtumwelt benutzt worden, aber hat Anwendung in der Herstellung von standardisierten Profilträgern für Tiefbaustrukturen gefunden.

Automatisierte Prozesse

Der Einsatz von Robotik in der Composite-Fertigung wächst rasant und ist wohl die vielversprechendste Technologie für die Zukunft. Zu den offensichtlichen Vorteilen der Automatisierung des Herstellungsprozesses gehören eine geringere Variabilität der Abmessungen und weniger Herstellungsfehler. Darüber hinaus kann das Aufgabematerial effizienter eingesetzt und die Arbeitskosten gesenkt werden. Eine vielversprechende Klasse von Systemen sind die sogenannten Automated Fibre Placement (AFP) -Maschinen, die einen Roboter-Faser-Placement-Kopf verwenden, der mehrere vorimprägnierte Kabel aus “Slit-Tape” ablegt, wodurch jedes einzelne Kabel geschnitten, geklemmt und neu gestartet werden kann. Während der Roboterkopf einem bestimmten Faserpfad folgt, werden die Kabel kurz vor der Abscheidung erhitzt und dann mit einer speziellen Walze auf das Substrat verdichtet. Aufgrund der hohen Genauigkeit der aktuellen Robotertechnologie können AFP-Maschinen eine hohe Produktivität bieten und komplexe Geometrien handhaben. Aktuelle Anwendungen umfassen die Herstellung des Rumpfes der Boeing 787 und das Wickeln von quadratischen Kästen, die dann in Längsrichtung geschlitzt werden, um zwei C-Abschnitte für Flügelholme herzustellen. Integrierte Fertigungssysteme, wie sie von Unternehmen wie ElectroImpact entwickelt wurden, bieten spannende schlüsselfertige Funktionen für zukünftige Flugzeugstrukturen. Diese Systeme kombinieren mehrere Fertigungsprozesse, zum Beispiel Faserplatzierung und additive Fertigung auf einem Roboterkopf, und ermöglichen so die Herstellung von gemischten und integrierten Strukturen mit weniger Gelenken und Verbindungen. Mit diesen Systemen können Ingenieure auch effizientere Strukturen wie integrierte Orthogrid- oder Isogrid-Verbundplatten entwerfen, die derzeit in großem Maßstab nur schwer wirtschaftlich herzustellen sind.

Filament Wunde Boeing 787 Rumpf (3)