Projekt 22075/01

Breitenverstellbare multiaxiale Kettenwirkmaschine zur anwendungsspezifischen Verarbeitung von Carbonfasern

ProjekttrÀger

SAERTEX Wagener GmbH & Co. KG
Brochterbecker Damm 52
48369 Saerbeck
Telefon: 02574/902-0

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 StĂ€hle oder Aluminium. In nur wenigen Jahren wird bei neuen Flugzeugen der Anteil der Carbon-Composite-Werkstoffe den Anteil von Aluminium ĂŒbersteigen. Die Firma SAERTEX ist qualifizierter Zulieferer von Multiaxialgelegen aus Carbonfasern fĂŒr 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 GrĂŒnden 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 hĂ€ngt wesentlich von der Kostensituation ab. Mit dem heutigen Stand der Technik ist die Wirt-schaftlichkeit nur in hochwertigen EinsatzfĂ€llen gegeben.
Ziel des Projektes ist die Reduzierung der Kosten fĂŒr das Carbongelege, welches als Halbzeug zu Bauteilen verarbeitet wird. Mit folgenden Maßnahmen sollten die Herstellungskosten der Halbzeuge (Gelege) fĂŒr Carbonbauteile reduziert und qualitative Materialkennwerte verbessert werden:
- Einsatz kostengĂŒnstigerer 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 SchnittabfÀlle hochwertiger Carbonfaser-Gelege und Erhöhung der Wirtschaftlichkeit durch eine anwendungsgerechte Produktionsbreite der FlÀchenware;
- Entwicklung einer neuen Generation an Gelegen mit leichteren FlÀchengebilden 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 KohÀrenz 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 flĂ€chenbezogene Masse zu erreichen, wobei die Verteilung der Filamente gleichmĂ€ĂŸiger 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 ĂŒbernimmt, die notwendige Spannung aufbringt ohne die Tapes zu beschĂ€digen 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 ĂŒblichen EinhĂ€ngefassungen ĂŒbernehmen.
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 OberflĂ€chenbeschaffenheit und HĂ€rte der Werkstoffe aller von der Carbonfaser tangierten FĂŒhrungen und Umlenkungen, als nicht zu vernachlĂ€ssigende EinflussgrĂ¶ĂŸen. Erst die Untersuchung der EinflussgrĂ¶ĂŸen im Einzelnen und spĂ€ter in verschiedenen Kombinationen machte es möglich, alle EinflussgrĂ¶ĂŸen so einzustellen, dass sie möglichst positiv auf den Prozess einwirkten. Die so erhaltenen Tapes sind derzeit bis hinunter zu einem Lagengewicht von 100 g/mÂČ perfekt geschlossen und zeichnen sich durch eine sehr homogene Filamentverteilung aus. Sie können mittels Greifern, die auf Linearmodule montiert sind, aufgenommen werden und ĂŒber 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 KantenabfĂ€lle an (in Millimeter stellt sich dieses VerhĂ€ltnis 20mm / 127 mm dar). Nach dem Herausfahren des Spachtels schließen die Klemmen und fixieren das Tape in der Transportvorrichtung.
Die Einstellung anwendungsgerechter Produktionsbreiten erfolgt ĂŒber eine Vielzahl von Linearmodulen auf denen die Transportschienen, montiert wurden. Die Linearmodule werden im Kollektiv angetrieben und positionieren das Transportsystem ĂŒber die gesamte MaschinenlĂ€nge 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 AutodĂ€chern benötigt, die Materialausnutzung um 45 %, da am Markt lediglich Gelegebreiten von 2540 mm verfĂŒgbar wĂ€ren.
Das Ergebnis der Projektentwicklung ist ein komplett neues Produkt. Es bietet fĂŒr den Anwender Kosteneinsparungen, die sich aus dem Einsatz gĂŒnstigerer Fasern ergeben. ZusĂ€tzlich ĂŒbertreffen 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 PrĂ€sentation

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


Fazit

Alle verfahrenstechnischen Ziele wurden erreicht und ein komplett neues Produkt ist entstanden, dass Meilensteine fĂŒr die schnelle Verbreitung von Carbonfasern in der Automobil- und Luftfahrtzeugindustrie setzen kann. Die individuelle Breitenverstellung hat sich als sehr effektives Werkzeug zur Rohstoffein-sparung bewĂ€hrt. 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.

Übersicht

Fördersumme

308.093,00 €

Förderzeitraum

26.04.2004 - 26.04.2005

Internet

www.saertex.com

Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Schlagwörter

Klimaschutz
Umweltforschung
Umwelttechnik