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Automatisierte Herstellung von hybriden Preforms mittels ‚Ultrasonic Fiber Placement‘ (UFP)

Kurzfassung

Die hier vorgestellte Erfindung bietet vor allem Industriezweigen wie Luftfahrt- und Automobilindustrie, die ein natürliches Interesse an Leichtbauweise haben, einen Wettbewerbsvorteil, da das neue Verfahren eine automatisierte Herstellung von lastpfadgerechten Faserverbund- und Hybridbauteilen sowie textilen Faser-Matrix-Halbzeugen (‚Preforms‘) ermöglicht.
Es können sowohl biegesteife Preforms als auch fertige Bauteile mit komplexen Geometrien produziert werden.

Hintergrund

Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) auf Thermoplastbasis wird vor allem im Automobilbau ein hohes Potenzial zu­geschrieben. Die gängigste Methode ist die Verarbeitung von thermoplastischen Prepregs (mit Kunststoff vorim­prägnierte Fasern) deren Herstellung in einem separaten Verarbeitungsschritt erfolgt.

Problemstellung

Eine lastpfadgerechte Aus­legung der Fasern, für einen optimalen Einsatz von FKV unabdingbar, ist durch diese Methode jedoch nicht voll­ständig realisierbar. Zwei bekannte Verfahren zur last­pfadgerechten Ablage der Fasern sind das ‚Automated Fiber Placement‘ (AFP) und das ‚Tailored Fiber Place­ment‘ (TFP).

Lösung

Ähnlich wie beim TFP, werden die Fasern in Form eines Rovings oder Garns auf die Ablagefläche aufgebracht. Jedoch wird der Stickkopf durch eine Ultraschall-Sonotrode ersetzt und die Ablagefläche dient als Amboss.
Durch Ultraschalleintrag schmilzt die Thermoplastkomponente des faserverstärkten Hybridgarns und ver­schweißt die Fasern mit dem Untergrund. Durch die Regulierung des lokalen Wärmeeintrages wird die Anzahl der Schweißpunkte bzw. deren Abstand bis zur voll­ständigen Verschweißung optimiert.
Somit kann wahlweise ein mehr oder weniger biegesteifer Preform (nur teilweise konsolidiert) oder ein fertiges Bauteil (vollständig konsolidiert bzw. aufgeschmolzen und verfestigt) entstehen.
Zur Lastpfadgerechten Auslegung der Halbzeuge oder Bauteile kann die Sonotrode an einen Roboter montiert werden, der sich bewegt. Alternativ kann die Ablagefläche selbst bewegt werden. Dies ermöglicht die Realisierung von diverseren und komplexen Bauteilgeometrien.

Das Bild zeigt eine schematische Skizze eines Roboterarms, der eine Faser/Garn auf einer Oberfläche platziert [Bild: Universität Stuttgart].
Schematische Darstellung des UFP-Systems [Bild: Universität Stuttgart].

Vorteile

  • Simultanes Ablegen und Fügen von lastgerecht verstärkten und verlaufenden Strukturen
  • Für thermoplastische Kunststoffteile geeignet
  • Flexible Versteifung des Bauteils
  • Komplexe Bauteilgeometrie realisierbar
  • Hochqualitative Verfertigung der Bauteile
  • Energieeffiziente Herstellung der Bauteile

Anwendungsbereiche

Die hier vorgestellte Erfindung bietet vor allem Industrie­zweigen wie Luftfahrt- und Automobilindustrie, die ein natürliches Interesse an Leichtbauweise haben, einen Wettbewerbsvorteil, da das neue Verfahren eine automa­tisierte Herstellung von lastpfadgerechten Faserverbund- und Hybridbauteilen sowie textilen Faser-Matrix-Halb­zeugen (‚Preforms‘) ermöglicht.

Exposé
Kontakt
Dr. Dirk Windisch
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Entwicklungsstand
Funktionsnachweis / TRL3
Patentsituation
DE 102017116803 A1 anhängig
Referenznummer
17/008TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwer­tung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.