Vorbild Natur: Leistungsfähige bionische Leichtbauteile material- und kosteneffizient produzieren
Leichtbaukomponenten aus Faserverbundwerkstoffen (FVK) sind aus den
Branchen Transport und Mobilität nicht mehr wegzudenken, wenn es darum
geht, Materialeinsatz, Nutzlasten und Betriebskosten zu senken. Besonders
materialeffiziente Strukturen, die gleichzeitig leicht und
widerstandsfähig sind, sind in der Natur zu finden. Beispiele sind die
Wabenstrukturen in einem Bienenstock oder die Flügel einer Libelle.
Erkenntnisse aus der Bionik nutzen das Fraunhofer-Institut für
Produktionstechnologie IPT mit Partnern des Projekts »BioStrukt«: Sie
entwickelten eine neue Prozesskette zur Herstellung bionischer Strukturen
aus FVK und kombinierten dabei das Tapelegen, Thermoformen und
Hinterspritzen.
Hochleistungsmaterialien wie Kohlenstofffasern lassen sich in Kombination
mit einer Kunststoffmatrix in bionische Strukturen einbetten. Um
funktionalisierte FVK-Bauteile herzustellen, formte das Fraunhofer IPT
Organobleche thermisch um. Anschließend wurden die Teile vom
Projektpartner SK Industriemodell mit Kunststoff hinterspritzt. Ziel der
Forschenden war eine effiziente Materialverwendung durch optimale
Auslegung des Bauteils auf die jeweilige Belastung.
FVK-Bauteile durch gelenkte Fasern auf Belastung optimieren
Durch den Einsatz von Organoblechen mit gelenkten, also gezielt
ausgerichteten Verstärkungsfasern können die entstehenden Bauteile
flexibel und an die jeweilige Bauteilkontur angepasst hergestellt werden.
Kraftflüsse verlaufen im Bauteil, wie in der Natur, oft kurvenförmig. Das
Ablegen gelenkter Fasern in gekrümmten Tapebahnen, Fiber Steering genannt,
ist komplex. Die Komplexität erschwert es, den Prozess auf eine
Serienfertigung zu übertragen.
Mit angepasster Anlagentechnik das ganze Potenzial gekrümmter bionischer
Strukturen ausschöpfen
Hier setzte das Projekt »BioStrukt« an: Um das gesamte Potenzial
bionischer Strukturen auszuschöpfen und den Prozess auf ein industrielles
Niveau zu bringen, modifizierten die Projektpartner die zugehörige
Anlagentechnik. Die Experten betrachteten die gesamte Prozesskette samt
der Handhabung der entstandenen Halbzeuge. Damit die bionischen Strukturen
während des Thermoformens die gewünschten Faserausrichtungen bewahren,
müssen die Organobleche im aufgewärmten Zustand gezielt eingespannt
werden. Die drei Produktionstechnologien Tapelegen, Thermoformen und
Hinterspritzen kombinierten die Projektpartner zudem mit einem
Greifroboter, der die umgeformten Bauteile automatisiert in die
Spritzgussmaschine einsetzt. Eine kontinuierliche Qualitätsüberwachung,
die geometrische Ungenauigkeiten und Defekte detektiert, sichert Prozess
und Bauteil ab.
Industrienaher Prototyp zum automatisierten Tapelegen
Um thermoplastische Tapes in Kurvenbahnen mit definierten Radien abzulegen
und so belastungsoptimierte Organobleche herzustellen, entwickelten die
Projektpartner das bereits am Fraunhofer IPT bestehende In-situ-
Tapelegesystem »PrePro®2D« weiter. Sie passten das System mechanisch und
steuerungstechnisch für das Fiber Steering an, sodass bionische
Organobleche automatisiert und daher effizient gefertigt werden können.
Der weiterentwickelte Legeprozess erlaubt es, die FVK-Bauteile zuverlässig
und kostengünstig in großen Stückzahlen herzustellen.
Im Sinne von Industrie 4.0: Alle Daten werden analysiert
Die Forscherinnen und Forscher erfassen, speichern und analysieren alle
Daten, die während der Herstellung des Bauteils gewonnen werden. So
konnten sie die Qualität des Halbzeugs und des produzierten Bauteils
untersuchen sowie die entwickelte Prozesskette wirtschaftlich und
technologisch ganzheitlich bewerten. Darüber hinaus prüften die Experten
die erzeugten Bauteile mechanisch im Rahmen von Druckprüfungen. Hier
zeigte sich, dass die bionische Verstärkung zu einer erheblichen Zunahme
der Bauteilfestigkeit im Vergleich zu einem nicht verstärkten Bauteil
führt. Der digitalisierte Produktionsprozess reduziert damit den
Materialeinsatz und ist besonders ressourceneffizient. Die hergestellten
Leichtbaukomponenten sind zudem deutlich leistungsfähiger als
konventionell hergestellte Bauteile.
Zum Projekt »BioStrukt«
Das Projekt »BioStrukt« wurde durch Mittel des Europäischen Fonds für
regionale Entwicklung (EFRE) Produktion.NRW gefördert. Es lief von
November 2018 bis Februar 2022.
Beteiligte Forschungseinrichtungen und Industriepartner
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen
(Projektleitung)
- Apodius GmbH, Aachen
- SK Industriemodell GmbH, Übach-Palenberg
