Breitenverstellbare multiaxiale Kettenwirkmaschine zur anwendungsspezifischen Verarbeitung von Carbonfasern

Aktenzeichen 22075/01
Zusammenfassung / Abstract: Dateigröße: 0.12 MB | Zuletzt geändert: 11.08.2009
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Projektträger: SAERTEX Wagener GmbH & Co. KG
Brochterbecker Damm 52
48369 Saerbeck
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Telefon: 02574/902-0
Internet: http://www.saertex.com
Bundesland: Nordrhein-Westfalen
Beschreibung:
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Thematik Leichtbau wird mit knapper werdenden Ressourcen fossiler Brennstoffe in allen Verkehrsbereichen immer bedeutsamer. Bauteile- bzw. Baugruppen aus Carbonfasern sind bei gleicher Festigkeit deutlich leichter als andere moderne Werkstoffe wie hochlegierte Stähle oder Aluminium. In nur wenigen Jahren wird bei neuen Flugzeugen der Anteil der Carbon-Composite-Werkstoffe den Anteil von Aluminium übersteigen. Die Firma SAERTEX ist qualifizierter Zulieferer von Multiaxialgelegen aus Carbonfasern für AIRBUS.
In der Automobilindustrie besteht ebenfalls ein starker ökonomischer und ökologischer Druck zum Leichtbau. Durch immer mehr Zusatzausstattungen und Sicherheitspakete hat sich das durchschnittliche Gewicht der Fahrzeuge in den letzten Jahren stark erhöht. Nur durch gravierende Gewichtsreduzierungen wird sich der Kraftstoffverbrauchen reduzieren lassen. Aus diesen Gründen arbeiten heute nahezu alle Automobilhersteller an Projekten mit neuen, leichteren Werkstoffen, insbesondere mit Carbonfasern. Die Umsetzung dieser Technologie aus den Erfahrung von Kleinserien oder aus dem Rennsport in Großserien hängt wesentlich von der Kostensituation ab. Mit dem heutigen Stand der Technik ist die Wirt-schaftlichkeit nur in hochwertigen Einsatzfällen gegeben.
Ziel des Projektes ist die Reduzierung der Kosten für das Carbongelege, welches als Halbzeug zu Bauteilen verarbeitet wird. Mit folgenden Maßnahmen sollten die Herstellungskosten der Halbzeuge (Gelege) für Carbonbauteile reduziert und qualitative Materialkennwerte verbessert werden:
- Einsatz kostengünstigerer Carbonfasern bei gleichen oder besseren Materialeigenschaften in Bezug auf Festigkeit und homogenerer Filamentverteilung als es mit Herstellverfahren, die dem Stand der Technik entsprechen, möglich war;
- Reduzierung der Schnittabfälle hochwertiger Carbonfaser-Gelege und Erhöhung der Wirtschaftlichkeit durch eine anwendungsgerechte Produktionsbreite der Flächenware;
- Entwicklung einer neuen Generation an Gelegen mit leichteren Flächengebilden und besseren mechanischen Kennwerten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm ersten Schritte musste ein Verfahren entwickelt werden, das es ermöglicht, multiaxiale Fadengelege herzustellen, deren Kohärenz nur eine sehr geringe Verbindungsdichte quer zu den unidirektionalen Lagen besitzen, so dass eine gute Drapierbarkeit der multiaxialen Gelege aufrechterhalten werden kann.
Ein weiteres Ziel war es, eine möglichst große Breite bei geringer Dicke und flächenbezogene Masse zu erreichen, wobei die Verteilung der Filamente gleichmäßiger ausfallen sollte als es bei der Verwendung einzelner Carbonfasern der Fall ist. Zur Herstellung der Fadengelege (Tapes), sollte eine Vorrichtung konstruiert werden, die das Eintragen in ein Transportsystem übernimmt, die notwendige Spannung aufbringt ohne die Tapes zu beschädigen und vor dem Ablegen vom nachfolgendem Tape trennt. Da die Tapes völlig andere Anforderungen an das Transportsystem stellen als es bei herkömmlichen Anlagen der Fall ist, sollte eine spezielle Klemmvorrichtung die Aufgabe der üblichen Einhängefassungen übernehmen.
Um bedarfsgerecht in verschieden Breiten produzieren zu können, war eine technische Lösung zu entwerfen, die eine Breitenverstellung des Transportsystems zuließ.


Ergebnisse und Diskussion

Bei der Entwicklung einer Vorrichtung zur maschinellen Herstellung von Tapes aus Carbonfasern mit höherem Titer als 200 tex (3 K) , erwiesen sich die Luftfeuchtigkeit, Temperatur in Verbindung mit der Laufzeit von der Spule, bis zum Verlassen der Tapemaschine, ebenso wie Art der Oberflächenbeschaffenheit und Härte der Werkstoffe aller von der Carbonfaser tangierten Führungen und Umlenkungen, als nicht zu vernachlässigende Einflussgrößen. Erst die Untersuchung der Einflussgrößen im Einzelnen und später in verschiedenen Kombinationen machte es möglich, alle Einflussgrößen so einzustellen, dass sie möglichst positiv auf den Prozess einwirkten. Die so erhaltenen Tapes sind derzeit bis hinunter zu einem Lagengewicht von 100 g/m² perfekt geschlossen und zeichnen sich durch eine sehr homogene Filamentverteilung aus. Sie können mittels Greifern, die auf Linearmodule montiert sind, aufgenommen werden und über das Transportsystem eingetragen werden. Vor Erreichen der Endlage wird die notwendige Tape-spannung durch Aufbringen einer Bremskraft eingestellt. Das Tape wird an die Position des zuvor abgelegten Tapes gefahren und ebenfalls abgelegt. Die Enden des Tapes werden durch einen Spachtel automatisch in spezielle Klemmen eingestochen. Durch den Einsatz dieser Klemmen fallen nur noch 20 % der bisher notwendigen prozessbedingten Kantenabfälle an (in Millimeter stellt sich dieses Verhältnis 20mm / 127 mm dar). Nach dem Herausfahren des Spachtels schließen die Klemmen und fixieren das Tape in der Transportvorrichtung.
Die Einstellung anwendungsgerechter Produktionsbreiten erfolgt über eine Vielzahl von Linearmodulen auf denen die Transportschienen, montiert wurden. Die Linearmodule werden im Kollektiv angetrieben und positionieren das Transportsystem über die gesamte Maschinenlänge in einem Bereich von 1270mm bis 2540mm Breite. Diese Einstellbarkeit optimiert in einem konkreten Beispiel, bei dem ein Automobilhersteller 1400mm breite Gelege zur Herstellung von Autodächern benötigt, die Materialausnutzung um 45 %, da am Markt lediglich Gelegebreiten von 2540 mm verfügbar wären.
Das Ergebnis der Projektentwicklung ist ein komplett neues Produkt. Es bietet für den Anwender Kosteneinsparungen, die sich aus dem Einsatz günstigerer Fasern ergeben. Zusätzlich übertreffen die mechanischen Kennwerte der Laminatproben und somit auch die der Bauteile bei gleichem Gewicht die der herkömmlichen Carbongelege. Durch belastungsbezogene Auslegung der Bauteile werden weitere Einspa-rungen beim Einsatz in der Luftfahrt- und Fahrzeugindustrie möglich.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das neue Produkt wurde erstmals im Frühjahr 2005auf der JEC in Paris, der wichtigsten Messe für die Composite-Industrie vorgestellt. Unter dem Markennamen SAERTOW erfolgt seitdem die Vermarktung mit einem sehr großen Erfolg. Bereits jetzt ist die Kapazität der neu entwickelten Maschine kaum ausreichend, um die Nachfrage zu decken. Die Öffentlichkeitsarbeit der neuen Technologie erfolgt über verschiedene Vorträge in Arbeitsgemeinschaften und Foren wie SAMPY oder PARAMAX.


Fazit

Alle verfahrenstechnischen Ziele wurden erreicht und ein komplett neues Produkt ist entstanden, dass Meilensteine für die schnelle Verbreitung von Carbonfasern in der Automobil- und Luftfahrtzeugindustrie setzen kann. Die individuelle Breitenverstellung hat sich als sehr effektives Werkzeug zur Rohstoffein-sparung bewährt. Damit ist es möglich, bis zu 45 % der Rohstoffe einzusparen. Auf Grund des hohen Einsparungspotentials wurde die Technologie der Breitenverstellung auch beim Umbau einer herkömmlichen multiaxialen Legemaschine erfolgreich umgesetzt.

Förderzeitraum: 26.04.2004 - 26.04.2005 (1 Jahr)
Fördersumme: 308.093,00
Förderbereich: I.1.1
Themengebiet: Umwelttechnik
Stichworte: Umweltforschung, Klimaschutz, Umwelttechnik
Publikationen: