Automatisiertes Nassfaserlegen

Die additive Fertigung gewinnt bei der Herstellung komplexer Strukturbauteile zunehmend an Bedeutung. Forscher auf der ganzen Welt entwickeln fortlaufend neue Verfahren, bei denen verschiedene Materialien aus Kunststoffen oder Metallen genutzt werden, um dreidimensionale Objekte aus computergestützten Modellen herzustellen. Seit einiger Zeit werden auch additive Fertigungsverfahren für faserverstärkte Kunststoffe entwickelt, meist auf Basis einer Kurzfaserverstärkung, aber zunehmend auch mit kontinuierlicher Faserverstärkung. Hierbei kommen überwiegend thermoplastische Kunststoffen und seltener duroplastische Harze zum Einsatz, obwohl diese den Markt für Faser-Kunststoff-Verbunde dominieren. Im Gegensatz zu den wiederaufschmelzbaren Thermoplasten verfestigen sich duroplastische Harze durch eine chemische Reaktion, daher sind Halbzeuge auf Duroplastbasis nur begrenzt haltbar und benötigen zumeist eine (tief-)gekühlte Lagerung. Dies ließe sich jedoch durch eine in situ-Imprägnierung von Faserbündeln mit einem duroplastischen Harz direkt im Ablageprozess umgehen. Dieser Ansatz wird derzeit am Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) verfolgt. In der Nachwuchsgruppe TopComposite wurde das Nassfaserlegen (NFL) entwickelt.

Beim NFL werden Faserbündel von einer Roving-Spule gezogen, mit einem duroplastischen Harz imprägniert und über ein Roving-Fördersystem. das Bandreibungseffekte nutzt,gefördert. Die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte interdisziplinäre Nachwuchsgruppe „TopComposite“ entwickelt derzeit die Prozesstechnologien aber auch Auslegungsmethoden und adaptierte Harzsysteme. Bisheriger Schwerpunkt war es, die bestehende Prototypanlage zu einer vollautomatischen Anlage weiterzuentwickeln. Diese neue automatisierte Anlage (siehe Abbildung 1) umfasst vier Achsen, die sich in einen X-Y-Tisch – auf dem das Formwerkzeug montiert ist – und eine Z-Achse – auf der eine Rotationsachse montiert ist – aufteilen. Auf der Rotationsachse ist ein Endeffektor montiert, durch den der Roving zum Formwerkzeug befördert wird. Um eine diskontinuierliche Platzierung zu ermöglichen, wird eine pneumatisch angetriebene Schneideinheit verwendet, um den Roving im Endeffektor auf die gewünschte Länge zu schneiden. Die Rotationsachse kann den Endeffektor in die richtige Faserausrichtung drehen, so dass gerade und gekrümmte Abschnitte gelegt werden können. Das neue System enthält außerdem verschiedene Tänzereinheiten zur Synchronisierung der verschiedenen Antriebseinheiten im System.

In einem nächsten Schritt werden der Endeffektor weiter optimiert und parallel Prüfkörper hergestellt, um den Einfluss von Ablagedefekten zu untersuchen.

Das Projekt „TopComposite – topologieoptimierte und ressourceneffiziente Composites für Mobilität und Transport“ wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert (Förderkennzeichen 03XP0259).