Neue Wege der industriellen Herstellung

im Faserverbundleichtbau Prof. Clemens Dransfeld, Institut für Kunststofftechnik

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PANT. Orange 021

Swiss VPE Workshop 2012

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Inhalt

Kunststofftechnik an der FHNW

Motivationen der Automobil- und Luftfahrtindustrie

Industrielle Bedürfnisse im Faserverbundleichtbau

Neue Wege der Imprägnierung und Konsolidierung

Lösungsansätze

Fazit

Kunststofftechnik an der FHNW

Lehre Maschinenbau Vertiefung

Kunststofftechnik

Nachdiplomstudium (MAS) Kunststofftechnik

seit 30 Jahren

Angewandte Forschung mit 30 Mitarbeitern

• Auftragsforschung, 4 EU Projekte, div.

nationale Drittmittel (KTI)

• Schwerpunkt Faserverbundtechnologie

• Schwerpunkt nanotechnische

Kunststoffanwendungen

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 3

4

Motivation der Automobilindustrie

Source: Faserverbundwerkstoffe als wirtschaftliche Option für die Großserie, Prof. Dr. H. Ferkel VW AG

Vorgaben der EU zum C02 Ausstoss.

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Swiss VPE Workshop 2012 5

Motivation der Automobilindustrie

Source: Comité des Constructeurs Français Automobiles 2008

Die “grossen Vier” haben ein

Problem:

•Audi

•BMW

•Daimler

•Porsche

14.6.2012

Swiss VPE Workshop 2012 6

Motivation der Automobilindustrie

Source: DLR Braunschweig

14.6.2012

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Motivation der Luftfahrtindustrie

9% Totale Gewichtreduktion => 7% Reduktion des C02 Ausstosses

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Motivation der Luftfahrtindustrie

Copyright 2008 The Japan Carbon Fiber Manufacturers' Association

Bewegung im Markt…

Volkswagen steigt bei SGL Carbon ein - Aktie springt hoch (AF)

28.02.2011 21:08

WIESBADEN/WOLFSBURG/GENF (awp international) - Der Autokonzern Volkswagen ist beim

Wiesbadener Kohlenstoffspezialisten SGL Carbon SE eingestiegen. Die Volkswagen AG erwarb einen

Anteil von insgesamt 8,18 Prozent der Aktien, wie die SGL Group am Montag in Wiesbaden

mitteilte….

AUCH BMW UND VOITH AN SGL BETEILIGT

Weitere meldepflichtige Aktienbestände an SGL Carbon halten SKion, die Beteiligungsgesellschaft

von BMW-Grossaktionärin Susanne Klatten, mit 22,25 Prozent sowie die Voith Gruppe mit 5,12

Prozent…

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 9

Bedürfnisse der Industrie

Die Hochleistungsfaserverbundwerkstoffe können zur Lösung der

ökomischen und ökologischen Herausforderungen für eine nachhaltige

Mobilität beitragen.

Es bleibt jedoch eine signifikante Hürde

Die heutigen Herstellverfahren sind aufwändig, arbeitsintensiv und nur

bedingt industrialisierbar.

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 10

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 11

Prepreg Autoclav : State of the Art für Hochleistungskunststoffverbunde

Imprägnierung

Manuelles Ablegen

Vakuumsack

Aushärtung in Autoklav

www.carbon.at

www.advanced-composites.co.uk

www.advanced-composites.co.uk

8 Stunden

P, T 6 bar 180°C

Positionieren der Fasern

Imprägnieren der Fasern

Kompaktierung

Thermischer Zyklus

(Aushärtung oder Erstarrung)

Entformung

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 12

Schritte der Herstellung von Faserverbundstrukturen

Positionieren der Fasern

Imprägnieren der Fasern

Kompaktierung

Thermischer Zyklus

(Aushärtung oder Erstarrung)

Entformung

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 13

Beispiel: Prepreg Autoklavverfahren /SMC / Wickeln

Positionieren der Fasern

Imprägnieren der Fasern

Kompaktierung

Thermischer Zyklus

(Aushärtung oder Erstarrung)

Entformung

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Beispiel: Resin Transfer Molding (RTM)

Positionieren der Fasern

Imprägnieren der Fasern

Kompaktierung

Thermischer Zyklus

(Aushärtung oder Erstarrung)

Entformung

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 15

Beispiel: Compression RTM / Spaltimprägnierung

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 16

Dilemma der Industrialisierung

Kostenreduktion

Str

uk

ture

lle

Eig

en

sc

ha

ften

CFK-PREPREG AUTOKLAV

SMC (KLASSISCH)

GMT

HARZINJEKTIONSVERFAHREN

SPRITZGUSS TRADE-OFF ROUTE

OK für Anbauteile

ZIEL für primäre Strukturen

Kostenvorgabe der Automobilindustie

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 17

Quelle: Audi

Lösungsansätze in der Verfahrenstechnik

• Compression Resin Transfer Molding

• Hochleistungspressmassen

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 18

Konventionelles Resin Transfer Molding

‗Fasergelege in Werkzeug einlegen

‗Werkzeug schliessen (Kompaktierung)

‗Harz Injizieren

‗Aushärten

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 19

http://www.alcancompositestructures.com

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 20

Alternative zu RTM

RESIN TRANSFER MOLDING (RTM)

-GESCHLOSSENE KAVITÄT

-LANGER FLIESSWEG

COMPRESSION RTM:

- FLIESSWEG UM GRÖSSENORDNUNGEN REDUZIERT

- WERKZEUG MUSS "ATMEN"

Darcy’s Law

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Ablaufdiagramm konventionelles RTM

VISKOSITÄT

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 22

Potential Compression RTM

VISKOSITÄT

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 23

Der Weg zur Fliesswegreduktion

RTM

In-plane Imprägnierung

CRTM

Out-of-plane Imprägnierung

Prinzip Compression RTM

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 32

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 33

Plattenwerkzeug

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 34

Versuchsparameter

• Prozess: RTM und Compression RTM

• Monitoring: T, p, Dielektisch

• Druckvariation: 5 – 40 bar Innendruck

• Aushärtung bei 180°C isotherm

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 35

Plattenbauteil

Dimensionen: 380 x 180 x 4.6

Material: 6xSaertex triaxial non-crimp-fabric

Matrix : RTM6

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 36

Einlfluss des Nachdrucks auf Eigenschaften

0

5

10

15

20

25

30

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45

50

light

RTM

5 Bar 10 Bar 15 Bar 20 Bar 25 Bar 40 Bar

0

5

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15

20

25

30

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50

Inte

rl. S

hubspannung

[MP

a]

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Ergebnisse - Einsparung der Injektionszeit

Swiss VPE Workshop 2012 37

VISKOSITÄT

14.6.2012 38

1. Potential: Einsparung der Injektionszeit

Swiss VPE Workshop 2012 38

VISKOSITÄT

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 39

2. Potential: schnellere Harzformulierungen

39

VISKOSITÄT

14.6.2012 42

Ergebnisse

• Einsparung der Injektionszeit, bis 50 mal schneller (Bauteilabhängig)

• Benötigte Kavitätsinnendrücke von 15 - 20 bar

• Äquivalente oder bessere mechanische Eigenschaften als RTM

• Keine Faserverschiebungen in der Ebene / homogene Harzverteilung

• Autoklav- Äquivalente Faservolumengehalte von ≤ 63%

Swiss VPE Workshop 2012 42

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 43

Übertragung der Erkenntnisse auf C-Profil

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 44

Übertragung auf C-Profil

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Konzept

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 46

Konzept

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 47

Konzept

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Konzept

20 bar

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Konzept

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C-Beam Werkzeug

1 2

3

Closing

1. Open

2. Compression

3. Fully closed

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 51

4 5

6

Opening

4. Mould opening

5. Ejector and

stripper plate

6. Fully ejected

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14.6.2012 53

Interdisziplinärer Ansatz: Funktioneller Flechtkern

Swiss VPE Workshop 2012 53

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 54

Übertragung auf funktionellen Flechtkern - Hohlprofil

• Glaskern

• Geflecht

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 55

Interdisziplinärer Ansatz: Erweiterte Kavität für

Injektion

• Werkzeug

• „Fliesskanäle“

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Interdisziplinärer Ansatz: Innendrucksack

• Druck- und

Temperiermedium

HOLLOW

Kombination aus Biegenachgiebigkeit und Menbransteifigkeit

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Reinforcement

FX Core Sealing

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FX Core fabrication Braiding on FX Core Injection

Curing Demolding Re-use of FX core

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 59

SEAL

SEAL

GATE

GATE

VACUUM/PRESSURE

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Umflechten (Uni Stuttgart – IFB)

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 61

Strukturtypologien im Leichtbau

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 63

Strukturtypologien – Herstellgerecht

Flächige Elemente

–Compression RTM

Profile

–Hohlkörper geflechtet mit

Compression RTM

Knoten

–Pressmassen (thermoplastisch oder

Duromer)

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 64

Fazit

• Synergie zwischen schnellen Imprägnierprozess und verbesserten

Eigenschaften.

• Werzeugtechnisch auch in komplexen Geometrien Beherrschbar.

• Textiler Preform bleibt stabil

• Eröffnet das Feld für sehr schnelle Harzformulierungen

Ein vielversprechender Ansatz für die Industrialisierung im Hochleistungs-

Faserverbundleichtbau.

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 65

Danksagung

Prof. Dr. Erich Kramer

Dr. Alfons Pascual

Nicolas Eguemann

Silvio Moser

Patrick Böhler

Marcel Siegfried

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 66

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 67

Point of contact

Institut für Kunststofftechnik

Prof. Clemens Dransfeld - Institutsleiter

Klosterzelgstrasse 2

5210 Windisch

T +41 56 462 45 90

M +41 76 395 86 50

F +41 56 462 45 50

clemens.dransfeld@fhnw.ch

www.fhnw.ch/technik/ikt/

2. Sommerakademie Composites

2.- 6. Juli 2012 am Institut für Kunststofftechnik

PANTONE 123

PANTONE 151

PANTONE 368

PANTONE 1795

PANTONE 3955

PANT. Red 032

PANT. Orange 021

Ausgangslage (stark vereinfacht)

• Composites Technologien sind stark interdisziplinär

• Bildungskultur ist disziplinär (Strukturmechaniker oder

Verfahrenstechnik)

Resultat:

• Die ganzheitliche Sichtweise fehlt.

• Kontextwissen fehlt.

• Junge Akademiker im Compositsektor sind unsicher.

8.4.2011 CCEV 86

Zielsetzung der Sommerakademie

• Brücke schlagen zwischen “Berechnern”

und “Fertigern”

• Sensibilisierung für ganzheitlichen

Blickwinkel

• “Hands-on” mit FE Tools unter Anleitung

arbeiten

• “Hands-on” mit Prepreg in 3-dimensionalen

Tooling arbeiten

• Networking, Austausch untereinander

• Teilnehmerzahl (8-12)

8.4.2011 CCEV 87

Case

Dünnwandige Rechteckträger für

3-Punktbiegeversuch

Mehrere Werkzeuge vorhanden

8.4.2011 CCEV 88

Ablauf

Tag 1: Theorie – Auslegung und Berechnung

Tag 2: Praktische Anwendung von

Berechnungssoftware, Bauteil Laminatentwurf.

Tag 3: Werkzeugvorbereitung, Festlegen einer

Laminier-Strategie und Aufbereiten des

Ausgangsmaterials

Tag 4: Laminieren, Ablegen von Out-of-

Autoclave Prepreg, Curing.

Tag 5: Ausformen Bauteilfinish, 3 Punkt

Biegeversuche der Struktur. Vergleich mit

Auslegung. Interpretation und

Zusammenfassung.

8.4.2011 CCEV 89

Partner

• CAD-FEM (D, A, CH)

• Even Evolutionary Engineering (CH)

• Advanced Composites Group,

Umeco (UK)

8.4.2011 CCEV 90

Teilnehmerprofil der 1. Sommerakademie

• Luftfahrt Fertigung

• Luftfahrt Engineering

• Raumfahrt Engineering

• Anlagenhersteller

• Techn. Uni. Wiss. MA 2x

• Halbzeughersteller oberes Managment

• Engineeringsoftware Vertrieb

8.4.2011 CCEV 91

8.4.2011 CCEV 92

Anmeldung via CADFEM

14.6.2012 Swiss VPE Workshop 2012 93

Point of contact

Institut für Kunststofftechnik

Prof. Clemens Dransfeld - Institutsleiter

Klosterzelgstrasse 2

5210 Windisch

T +41 56 462 45 90

M +41 76 395 86 50

F +41 56 462 45 50

clemens.dransfeld@fhnw.ch

www.fhnw.ch/technik/ikt/